睡眠と学習や記憶の形成の関係も、多くの研究の焦点となっています。 科学者たちは、睡眠が学習に重要であることを確かに知っていますが、睡眠のどの段階がより重要なのでしょうか？
メディカル・ニュース・トゥデイが報じた2つの研究は、これらの疑問に光を当てるのに役立っています。
睡眠は脳の学習と柔軟性の維持を助ける
最初の研究では、実験者は、研究参加者に新しい一連の動作を覚えてもらった後、深いノンレム睡眠段階を改ざんしました。 スイスに拠点を置く科学者たちが率いるチームは、落ち着きのない深い眠りによって、学習効率が目に見えて低下していることを発見しました。
シナプスは、神経細胞間の微小な結合であり、脳内化学物質である神経伝達物質とともに、ある神経細胞から別の神経細胞への電気インパルスの伝達を促進する役割を果たします。 日中、シナプスは脳が環境から受ける刺激に反応してスイッチを入れます。
しかし、睡眠中、これらのシナプスの活動は通常状態に戻ります。 この回復期がないと、シナプスは長い間、最高の活動で興奮したままになってしまう。
このことは、脳の神経可塑性、つまり、自分自身を配線し直し、ニューロン間に新しい結合を作り出す能力を妨げることになるのです。 神経可塑性によって、脳は新しいスキルを「身につけ」、環境刺激に変化・適応し、最終的に新しいことを学ぶことができるのです。
チューリッヒ工科大学健康科学技術学部の教授で共同執筆者のニコール・ヴェンダーロス氏は、彼らの新しい研究で何が起こったかを説明しています。
“脳の強く興奮した領域では、学習効率が飽和して変更できなくなり、運動技能の学習が阻害された”。
著者らの知る限り、睡眠の深い段階と学習効率の因果関係を示した初めての研究であった。 “私たちは、脳の特定の部分の睡眠の深さを減らすことができる方法を開発したので、深い眠りと学習効率の間の因果関係を証明しました。”と、研究の共著者であるレト・フーバー教授は言います。
Sleep also helps us unlearn
MNTが報告した2番目の研究は、異なる睡眠段階について調べたものです。 しかし、この研究では、睡眠は脳が新しいことを学習することを可能にするだけでなく、unlearnすることもできることを示しました
2017年のオリジナルの研究では、聴覚学習タスクが行われました。 研究者は、参加者が眠っているときと起きているときに音のシーケンスを再生しました。
彼らは、脳波（EEG）を使用してボランティアの脳の電気活動を監視しました。
EEGは、眠っている脳が新しい音を学習するときに発生する睡眠紡錘も捉えました。 睡眠紡錘は、これまでの研究で学習や記憶の定着と関連付けられた、振動する脳活動のスパイクです。
各睡眠セッションの後、実験者は参加者に、音のシーケンスを再度聞いて認識するように求めました。 彼らはテストを通じて、彼らの学習パフォーマンスを評価しました。
科学者たちは、脳波の測定値を使用して、3つの睡眠段階を調べました。 レム睡眠、軽いノンレム睡眠、深いノンレム睡眠です。
レム睡眠中または軽いノンレム睡眠中に音にさらされた場合、被験者は起きているときにそれらを認識することがより優れていました。 しかし、深いノンレム睡眠中に新しい音にさらされると、覚醒時に音の並びを認識するのが難しくなった。
また、「学習の脳波マーカーは明るい睡眠では容易に観察されたが、深い睡眠では顕著に見られなかった」と科学者は報告しています。
さらに、重要なことに、参加者は深いノンレム睡眠中に研究者が聞かせた音を認識することが難しかっただけでなく、全く新しい音と比較して、これらの音の（再）学習がより困難であったことを発見しました。
この結果は、深いノンレム睡眠は新しいことを学ぶためというより、情報を抑制するためにあることを示唆しています。
」最大の驚きは、脳の学習解除の能力からでした。 したがって、睡眠中に、新しい記憶を形成して学習するか、逆に記憶を抑制して学習しないようにすることができるようです。”
– Thomas Andrillon, study first author
彼らはまた、深い睡眠が神経可塑性の維持に役立つという証拠を追加しています。 具体的には、明るいノンレム睡眠（ステージ2）はシナプスの興奮を助け、深いノンレム睡眠はシナプスのリラックス、すなわち「ダウンスケール」を助ける可能性があります。
「明るい睡眠と深い睡眠のこうした対比は、神経可塑性に関連するこれら二つの睡眠段階間の質的区別と一致します」と著者は書いています。 “この見解によれば、明るい睡眠はシナプスの増強に有利であり、深い睡眠はシナプスのダウンスケールに有利である。”
“我々は、睡眠中に提示される情報の抑制効果について、いかなる機能的役割も示唆しない “と彼らは付け加えています。 「むしろ、それは恒常的な目的のために必要なシナプスのダウンスケールの必然的な副産物と思われます」
言い換えれば、深い睡眠は、忘却が神経可塑性を維持する自然な副産物であるため、学習や忘却を助けるかもしれません。
睡眠理論の統一
アンドリヨン氏らはまた、今回の発見は、これまで矛盾していた2つの学派を統一することにつながるため、重要であると説明しています。 1つは、睡眠の主要な機能を、新しい情報の学習と定着とみなすものである。
睡眠がどのように機能するかについて、科学者がより多くの神経科学的証拠を集めるにつれて、全体として、このような区分や二項対立は、睡眠または睡眠が学習に果たす役割について見る最も有用な方法ではないことが明らかになってきました。
すなわち、ノンレム睡眠は、柔軟性と神経可塑性を回復することによって、新しく習得したスキルのパフォーマンスを向上させ、レム睡眠はこれらの改善を安定させ、新しい学習によってそれらが消去されるのを防ぐというものです。 しかし、シナプスの柔軟性と脳の神経可塑性を維持するために、シナプスを「ダウンスケール」、つまり弛緩させたり弱めたりすることも必要です。 研究者たちは、参加者の1つのグループに、睡眠前と睡眠後の2種類の課題を割り当てました。 もう一方のグループは、学習課題を受けなかった。
研究者たちは、MRIスキャナーと電極を被験者の頭部とまぶたに貼り付けたものを使用した。 また、磁気共鳴分光法を用いて、神経の可塑性（シナプスの柔軟性）と安定化に関与する2つの脳内化学物質を測定した結果、ノンレム睡眠中に神経の可塑性が増加することがわかりました。
レム睡眠中には、神経可塑性が低下し、学習したことが安定することと相関していました。 研究者らは、レム睡眠は、睡眠前の学習がその後の学習によって上書きされるのを防ぐのに役立つと仮定しています。
ノンレム睡眠とは異なり、レム睡眠中に可塑性が急激に低下したのは、学習すべき課題を持つボランティアにおいてのみでした。 「睡眠前の学習の有無にかかわらず、NREM睡眠中に可塑性が増加したが、睡眠前のパフォーマンスと比較して、睡眠後のパフォーマンスの向上と関連していた。 一方、レム睡眠中には減少したが、睡眠前訓練の後でのみ減少し、その減少は睡眠前学習の安定化と関連していた。”
“これらの知見は、NREM睡眠が可塑性を促進し、学習とは無関係にパフォーマンスの向上をもたらし、REM睡眠が可塑性を低下させて学習特異的に学習を安定させることを示している。”
– Masako Tamaki et al.