Schlafdynamik der Pupillen enthüllt Geheimnisse der Gedächtnisbildung

ITHACA / MÜNCHEN (IT BOLTWISE) – Die jüngsten Entdeckungen der Cornell University werfen ein neues Licht auf die faszinierende Verbindung zwischen Schlaf und Gedächtnisbildung. Forscher haben herausgefunden, dass die Größe der Pupillen während des non-REM-Schlafs mit der Konsolidierung von Erinnerungen korreliert. Diese Erkenntnisse könnten nicht nur das Verständnis menschlicher Gedächtnisprozesse verbessern, sondern auch die Effizienz künstlicher neuronaler Netzwerke steigern.

Die Forschung der Cornell University hat gezeigt, dass die Größe der Pupillen während des non-REM-Schlafs entscheidend für die Gedächtnisbildung ist. Wenn die Pupillen sich zusammenziehen, konzentriert sich das Gehirn auf die Konsolidierung neuer Erinnerungen, während bei erweiterten Pupillen ältere Erinnerungen verarbeitet werden. Diese Trennung verhindert das sogenannte ‘katastrophale Vergessen’, bei dem neue Erinnerungen alte überschreiben könnten.

Diese Entdeckung könnte weitreichende Auswirkungen auf die Entwicklung von Gedächtnisverbesserungstechniken für Menschen haben und die Effizienz künstlicher neuronaler Netzwerke inspirieren. Die Forscher nutzten Mäuse, die mit Gehirnelektroden und winzigen Augen-Tracking-Kameras ausgestattet waren, um die Dynamik der Pupillen während des Schlafs zu beobachten. Dabei stellten sie fest, dass neue Erinnerungen während eines bestimmten Substadiums des non-REM-Schlafs reaktiviert und konsolidiert werden, wenn die Pupillen zusammengezogen sind.

Die Fähigkeit des Gehirns, diese beiden Substadien des Schlafs mit einer zuvor unbekannten Mikrostruktur zu trennen, ist entscheidend, um das ‘katastrophale Vergessen’ zu verhindern. Diese Erkenntnisse könnten nicht nur die Gedächtnisverbesserung beim Menschen fördern, sondern auch Computerwissenschaftlern helfen, künstliche neuronale Netzwerke effizienter zu trainieren.

Die Studie, die am 1. Januar in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurde, wurde von Azahara Oliva und Antonio Fernandez-Ruiz geleitet. Die Co-Autoren der Studie, Hongyu Chang und Wenbo Tang, führten Experimente durch, um den Prozess der Gedächtniskonsolidierung zu beleuchten. Die Ergebnisse zeigen, dass die zeitliche Struktur des Schlafs bei Mäusen vielfältiger ist und mehr den Schlafstadien des Menschen ähnelt als bisher angenommen.

Durch die Unterbrechung des Schlafs der Mäuse zu verschiedenen Zeitpunkten und die anschließende Überprüfung ihrer Erinnerungsfähigkeit konnten die Forscher die Prozesse der Gedächtniskonsolidierung genauer untersuchen. Wenn eine Maus in ein Substadium des non-REM-Schlafs eintritt, schrumpfen ihre Pupillen, und hier werden die kürzlich erlernten Aufgaben reaktiviert und konsolidiert, während vorheriges Wissen nicht betroffen ist.

Die Tatsache, dass das Tracking der Pupillen während des Schlafs ein nicht-invasives Verfahren ist, eröffnet Anwendungen für weitere Studien am Menschen. Dies könnte besonders für Menschen mit Gedächtnisdefiziten von Vorteil sein, die mit psychischen Gesundheitsproblemen verbunden sind. Die Vorteile erstrecken sich sogar über den Menschen hinaus in den Bereich des maschinellen Lernens, das im Vergleich zur Effizienz des Gehirns oft schwerfällig ist.

Die Forschung wurde von den National Institutes of Health, der Sloan Foundation, der Whitehall Foundation, dem Klingenstein-Simons Fellowship Program und dem Klarman Fellowships Program unterstützt. Diese Entdeckungen bieten eine neue Gelegenheit, künstliche neuronale Netzwerke effizienter zu trainieren, indem sie möglicherweise mehr Ähnlichkeit mit der Funktionsweise tatsächlicher Gehirne aufweisen.