De qué forma los nuevos datos se convierten en recuerdos duraderos en la memoria

¿Qué papel juegan las etapas del sueño en la formación de los recuerdos? “Sabemos desde hace mucho tiempo que el aprendizaje útil ocurre durante el sueño. Codificas nuevas experiencias mientras estás despierto, te vas a dormir y cuando te despiertas, tu memoria de alguna manera se ha transformado”, explica Anna Schapiro, neurocientífica de la Universidad de Pensilvania.

Sin embargo, la forma precisa en que se procesan las nuevas experiencias durante el sueño sigue siendo un misterio. Schapiro y sus colegas de la Universidad de Princeton ahora tienen una nueva visión del proceso a partir de un modelo computacional de red neuronal que construyeron.

En una investigación que se publicó recientemente en Proceedings of the National Academy of Sciences, muestran que a medida que el cerebro pasa por ciclos de sueño de ondas lentas y de movimientos rápidos de los ojos (REM, por sus siglas en inglés), lo que sucede unas cinco veces por noche, el hipocampo le enseña a los neocórtex lo que aprendió, transformando información novedosa y fugaz en memoria perdurable.

“Este no es solo un modelo de aprendizaje en circuitos locales en el cerebro. Es cómo una región del cerebro puede enseñar a otra zona cerebral durante el sueño, un momento en el que no hay orientación del mundo externo. También es una propuesta sobre cómo aprendemos a medida que cambia nuestro entorno”, indicó Schapiro, profesora asistente en el Departamento de Psicología de Penn.

En términos generales, la especialista estudia el aprendizaje y la memoria en humanos, específicamente cómo las personas adquieren y consolidan nueva información. Durante mucho tiempo pensó que el sueño desempeñaba un papel aquí, algo que ella y su grupo han estado probando en un laboratorio, registrando lo que sucede en el cerebro mientras los participantes duermen.

Su equipo también construye modelos de redes neuronales para simular funciones de aprendizaje y memoria. Para este trabajo específicamente, Schapiro y sus colegas construyeron un modelo de red neuronal compuesto por un hipocampo, el centro del cerebro para nuevos recuerdos, encargado de aprender la información episódica del día a día del mundo, y el neocórtex, responsable de facetas como el lenguaje, mayor cognición de alto nivel y almacenamiento de memoria más permanente. Durante el sueño simulado, los investigadores pueden observar y registrar qué neuronas simuladas se activan cuando se encuentran en estas dos áreas y luego analizar esos patrones de actividad.

El equipo ejecutó varias simulaciones de sueño utilizando un algoritmo de aprendizaje inspirado en el cerebro que construyeron. Las simulaciones revelaron que durante el sueño de ondas lentas, el cerebro en su mayoría revisa incidentes y datos recientes, guiado por el hipocampo, y durante el sueño REM, en su mayoría vuelve a ejecutar lo que sucedió anteriormente, guiado por el almacenamiento de memoria en las regiones neocorticales.

“A medida que las dos regiones del cerebro se conectan durante el sueño no REM, es cuando el hipocampo en realidad le está enseñando a la neocorteza. Luego, durante la fase REM, la neocorteza se reactiva y puede reproducir lo que ya sabe”, solidificando la retención de datos en la memoria a largo plazo”, precisa Dhairyya Singh, estudiante de doctorado de segundo año en el laboratorio de Schapiro.

Y agrega: “La alternancia entre las dos etapas del sueño también es importante, Cuando la neocorteza no tiene la oportunidad de reproducir su propia información, vemos que la información allí se sobrescribe. Creemos que es necesario alternar el sueño REM y no REM para que se produzca una sólida formación de la memoria”.

Los hallazgos son consistentes con lo que se sabe en el campo, aunque los aspectos del modelo aún son teóricos. “Todavía tenemos que probar esto. Uno de nuestros próximos pasos será realizar experimentos para comprender si el sueño REM realmente trae viejos recuerdos y qué implicaciones podría tener para integrar nueva información en su conocimiento existente”, completa Schapiro.

Debido a que las simulaciones actuales se basaron en un adulto típico que tuvo una noche de sueño saludable, no necesariamente se transfieren a otros tipos de adultos o hábitos de sueño menos que estelares. Tampoco ofrecen información sobre lo que sucede con los niños, que requieren diferentes cantidades y tipos de horas de sueño que los adultos.

Schapiro dice que ve un gran potencial para que su modelo responda algunas de estas preguntas pendientes: “Tener una herramienta como esta te permite ir en muchas direcciones, especialmente porque la arquitectura del sueño cambia a lo largo de la vida y en varios trastornos, y podemos simular estos cambios en el modelo”.

A largo plazo, una mejor comprensión del papel de las etapas del sueño en la memoria podría ayudar a informar los tratamientos para los trastornos psiquiátricos y neurológicos para los cuales los déficits de sueño son un síntoma. Singh aclara que también podría haber implicaciones para el aprendizaje profundo y la inteligencia artificial.

“Nuestro algoritmo de inspiración biológica podría proporcionar nuevas direcciones para un procesamiento de memoria fuera de línea más potente en los sistemas de IA”, concluye. Este trabajo de prueba de concepto que conecta el sueño y la formación de la memoria mueve el campo un paso más cerca de estos objetivos.

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