Toinen alue, jota on tutkittu paljon, on unen ja oppimisen tai muistin muodostumisen välinen suhde. Tutkijat tietävät varmasti, että uni on ratkaisevan tärkeää oppimiselle – mutta mikä unen vaihe on tärkeämpi?
Tapahtuuko oppiminen kevyessä REM-univaiheessa vai unen syvässä, ei-REM-vaiheessa? Miten eri aivoalueiden neuronit koordinoivat eri univaiheissa oppimisen ja muistin vakiinnuttamisen helpottamiseksi?
Kaksi tutkimusta, joista Medical News Today raportoi, auttavat valaisemaan näitä kysymyksiä.
Nukkuminen auttaa aivoja oppimaan ja pysymään joustavina
Ensimmäisessä tutkimuksessa koehenkilöt peukaloivat tutkittavien syvää, ei-REM-univaihetta sen jälkeen, kun heitä oli pyydetty opettelemaan uusia liikkeitä. Tutkijat seurasivat osallistujien aivotoimintaa – erityisesti heidän motorista aivokuortaan – koko tutkimuksen ajan.
Sveitsiläisten tutkijoiden johtama työryhmä havaitsi, että levoton syvä uni johti selvästi heikentyneeseen oppimistehokkuuteen. Tutkijat selittivät, että heidän tuloksensa riippuivat aivojen synapseista ja niiden roolista oppimisessa.
Synapsit ovat hermosolujen välisiä mikroskooppisen pieniä yhteyksiä, jotka yhdessä aivokemikaalien eli välittäjäaineiden kanssa helpottavat sähköisten impulssien kulkua hermosolulta toiselle. Päivän aikana synapsit kytkeytyvät päälle vastauksena aivojen ympäristöstä saamiin ärsykkeisiin.
Mutta unen aikana näiden synapsien aktiivisuus palautuu normaaliksi. Ilman tätä palautumisjaksoa ne pysyvät kiihtyneinä huippuaktiivisina liian pitkään.
Tämä häiritsee aivojen neuroplastisuutta eli niiden kykyä kytkeytyä uudelleen ja luoda uusia yhteyksiä neuronien välille. Neuroplastisuuden ansiosta aivot pystyvät ”poimimaan” uusia taitoja, muuttumaan ja sopeutumaan ympäristönsä ärsykkeisiin ja lopulta oppimaan uusia asioita.
Nicole Wenderoth, ETH Zürichin terveystieteiden ja teknologian laitoksen professori ja toinen pääkirjoittaja selittää, mitä heidän uudessa tutkimuksessaan tapahtui.
”Voimakkaasti kiihottuneella aivojen alueella oppimistehokkuus oli kyllästynyt eikä sitä voitu enää muuttaa, mikä esti motoristen taitojen oppimista.”
Tekijöiden tietojen mukaan tämä oli ensimmäinen tutkimus, joka osoitti syy-yhteyden unen syvän vaiheen ja oppimistehokkuuden välillä. ”Olemme kehittäneet menetelmän, jonka avulla voimme vähentää unen syvyyttä tietyssä aivojen osassa ja siten todistaa syy-yhteyden syvän unen ja oppimistehokkuuden välillä”, sanoo tutkimuksen toinen kirjoittaja, professori Reto Huber.
Nukkuminen auttaa meitä myös oppimaan
Toisessa tutkimuksessa, josta MNT uutisoi, tarkasteltiin eri univaiheita. Tämä tutkimus osoitti kuitenkin, että uni ei ainoastaan mahdollista aivoille uusien asioiden oppimista, vaan myös oppimisen purkamista.
Alkuperäisessä vuoden 2017 tutkimuksessa käytettiin auditiivista oppimistehtävää. Tutkijat soittivat äänisekvenssejä osallistujien ollessa unessa ja hereillä.
He seurasivat vapaaehtoisten aivojen sähköistä toimintaa elektroenkefalogrammilla (EEG).
EEG:t kaappasivat myös unikierteitä, joita esiintyi, kun nukkuvat aivot oppivat uusia ääniä. Unikierteet ovat piikkejä oskilloivassa aivotoiminnassa, jotka aiemmat tutkimukset ovat yhdistäneet oppimiseen ja muistin vakiinnuttamiseen.
Kunkin unisession jälkeen kokeilijat pyysivät osallistujia kuuntelemaan äänisekvenssit uudelleen ja tunnistamaan ne. He arvioivat heidän oppimissuorituksiaan testeillä.
EEG-lukemien avulla tutkijat tarkastelivat kolmea univaihetta: REM-uni, kevyt ei-REM-uni ja syvä ei-REM-uni.
Kun osallistujat altistuivat äänille REM-unen tai kevyen ei-REM-unen aikana, he tunnistivat ne paremmin hereillä ollessaan. Mutta kun he altistuivat uusille äänille syvän ei-REM-unen aikana, heidän oli vaikeampi tunnistaa äänisekvenssi hereillä ollessaan.
Myös, vaikka ”oppimisen EEG-markkerit olivat helposti havaittavissa kevyessä unessa, ne puuttuivat selvästi syvässä unessa”, raportoivat tutkijat.
Lisäksi, ja mikä tärkeintä, osallistujien ei ainoastaan ollut vaikea tunnistaa ääniä, joita tutkijat olivat soittaneet heille syvässä ei-REM-unessa, vaan heidän oli myös vaikeampi (uudelleen)oppia näitä ääniä verrattuna täysin uusiin ääniin.
Havainnot viittaavat siihen, että syvä non-REM-uni ei ole niinkään uusien asioiden oppimista kuin tiedon tukahduttamista varten.
” Suurin yllätys tuli aivojen kyvystä perua oppimista. Näyttää siis siltä, että unen aikana voimme joko muodostaa uusia muistoja, oppia tai tehdä päinvastoin: tukahduttaa muistoja ja perua oppimista.”
– Thomas Andrillon, tutkimuksen ensimmäinen kirjoittaja
Tutkimus lisää myös näyttöä siitä, että syvä uni auttaa ylläpitämään neuroplastisuutta. Erityisesti kevyt ei-REM-uni (vaihe 2) voi auttaa kiihottamaan synapseja, kun taas syvä ei-REM-uni voi auttaa niitä rentoutumaan tai ”laskemaan mittakaavaa.”
”Tällainen kontrasti kevyen ja syvän unen välillä on johdonmukainen laadullisen eron kanssa näiden kahden univaiheen välillä suhteessa neuraaliseen plastisuuteen”, kirjoittavat kirjoittajat. ”Tämän näkemyksen mukaan kevyt uni suosii synaptista potensointia, kun taas syvä uni suosii synaptista downscalingia.”
”Emme ehdota mitään toiminnallista roolia unen aikana esitettyjen tietojen suppressiiviselle vaikutukselle”, he lisäävät. ”Pikemminkin se näyttää olevan homeostaattisiin tarkoituksiin tarvittavan synaptisen downscalingin väistämätön sivutuote.”
Muilla sanoilla syvä uni voi auttaa meitä unohtamaan tai unohtamaan, koska unohtaminen on luonnollinen sivutuote neuroplastisuuden säilyttämisestä; unohtaminen on sivutuote kyvystämme oppia.
Uniteorioiden yhdistäminen
Andrillon ja kollegat selittivät myös, että heidän havaintonsa ovat merkittäviä, koska ne auttavat yhdistämään kaksi aiemmin ristiriitaista koulukuntaa. Toinen näkee unen ensisijaisena tehtävänä oppimisen ja uuden tiedon vakiinnuttamisen. Toinen näkee sen hylkäävän hyödyttömän tiedon, jotta aivot eivät ylikuormittuisi.
Kun tutkijat keräävät yhä enemmän neurotieteellistä näyttöä siitä, miten uni toimii, käy ilmeiseksi, että kaiken kaikkiaan tällaiset jaottelut ja kahtiajaot eivät ehkä ole hyödyllisin tapa tarkastella unta tai unen roolia oppimisessa.
Esimerkiksi vasta viime kuussa julkaistussa tutkimuksessa osoitetaan, että REM- ja non-REM-uni toimivat yhdessä oppimisen edistämiseksi.
Nimittäin, ei-REM-uni tehostaa äskettäin hankittujen taitojen suorituskykyä palauttamalla joustavuutta ja neuroplastisuutta, kun taas REM-uni vakauttaa näitä parannuksia ja estää uutta oppimista pyyhkimästä niitä pois.
Uusi tutkimus lähti liikkeelle samasta hypoteesista, jota edellä mainitut tutkimukset näyttävät korostavan – siitä, että unen on vahvistettava synapseja ja päivän aikana luotuja hermoyhteyksiä (vakiinnuttaakseen uutta tietämystä ja estääkseen sitä ylittymästä uudella tiedolla). Sen on kuitenkin myös ”alennettava” eli rentoutettava tai heikennettävä synapseja niiden joustavuuden ja aivojen neuroplastisuuden säilyttämiseksi.
Tässä tutkimuksessa – jota johti Masako Tamaki Brownin yliopiston kognitiivisten, kielitieteellisten ja psykologisten tieteiden laitokselta Providencessa, RI:ssä – käytettiin visuaalista oppimistehtävää. Tutkijat antoivat yhdelle osallistujaryhmälle kaksi erilaista tehtävää, yhden ennen unta ja toisen unen jälkeen. Toinen ryhmä ei saanut mitään oppimistehtäviä.
Tutkijat käyttivät MRI-skannereita ja elektrodeja, jotka he kiinnittivät osallistujien päähän ja silmäluomiin. He käyttivät myös magneettiresonanssispektroskopiaa mitatakseen kahta aivokemikaalia, jotka osallistuvat neuraaliseen plastisuuteen (tai synapsien joustavuuteen) ja stabiloitumiseen.
Tamaki ja työryhmä havaitsivat, että neuroplastisuus lisääntyi non-REM-unen aikana. Tällä oli yhteyksiä parempaan oppimiseen ja tehtäväsuoritukseen unen jälkeen.
REM-unen aikana osallistujien neuraalinen plastisuus laski, mikä korreloi opitun stabiloitumisen kanssa. Tutkijat olettavat, että REM-uni auttaa estämään ennen unta tapahtuvan oppimisen korvautumisen myöhemmällä oppimisella.
Toisin kuin ei-REM-unessa, tutkijat näkivät plastisuuden jyrkän laskun REM-unen aikana vain niillä vapaaehtoisilla, joilla oli oppimistehtävä.
Tutkijoiden sanoin: ”Lisääntyi NREM-unen aikana riippumatta siitä, tapahtuiko ennen unta tapahtuvaa oppimista, mutta se liittyi unen jälkeiseen suorituskyvyn paranemiseen suhteessa unta edeltävään suorituskykyyn. Sitä vastoin the laski REM-unen aikana, mutta vain unta edeltävän harjoittelun jälkeen, ja lasku liittyi unta edeltävän oppimisen vakiintumiseen.”
”Nämä havainnot osoittavat, että NREM-uni edistää plastisuutta, mikä johtaa oppimisesta riippumattomaan suorituskyvyn paranemiseen, kun taas REM-uni vähentää plastisuutta oppimisen vakiinnuttamiseksi oppimispesifisellä tavalla.”
– Masako Tamaki et al.