Een ander gebied waar veel onderzoek naar is gedaan, is de relatie tussen slaap en leren of geheugenvorming. Wetenschappers weten zeker dat slaap cruciaal is voor het leren – maar welke fase van de slaap is belangrijker?
Vindt het leren plaats in de lichte REM-slaapfase of in de diepe, niet-REM-fase van de slaap? Hoe coördineren neuronen in verschillende hersengebieden in verschillende slaapfasen om leren en geheugenconsolidatie te vergemakkelijken?
Twee studies die Medical News Today meldde, helpen licht te werpen op deze vragen.
Slaap helpt de hersenen te leren en flexibel te blijven
In de eerste studie knoeiden de experimentatoren met de diepe, niet-REM-slaapfase van de studiedeelnemers nadat ze hen hadden gevraagd een nieuwe reeks bewegingen te leren. De wetenschappers volgden de hersenactiviteit van de deelnemers – hun motorische cortex in het bijzonder – gedurende de hele studie.
Het team – geleid door wetenschappers uit Zwitserland – ontdekte dat een onrustige diepe slaap resulteerde in een zichtbaar verminderde leerefficiëntie. De onderzoekers ‘legden uit dat hun resultaten scharnierden op de synapsen van de hersenen en hun rol bij het leren.
Synapsen zijn microscopische verbindingen tussen neuronen die, samen met hersenchemicaliën, of neurotransmitters, het doorgeven van elektrische impulsen van het ene neuron naar het andere vergemakkelijken. Overdag worden synapsen ingeschakeld als reactie op de prikkels die de hersenen uit de omgeving ontvangen.
Maar tijdens de slaap gaat de activiteit van deze synapsen terug naar normaal. Zonder deze herstellende periode, blijven ze te lang opgewonden op hun piekactiviteit.
Dit interfereert met de neuroplasticiteit van de hersenen – dat wil zeggen, het vermogen om zichzelf opnieuw te bedraden en nieuwe verbindingen tussen neuronen te maken. Neuroplasticiteit stelt de hersenen in staat om nieuwe vaardigheden “op te pikken”, te veranderen en aan te passen aan de stimuli van de omgeving, en uiteindelijk nieuwe dingen te leren.
Nicole Wenderoth, professor bij het departement Gezondheidswetenschappen en Technologie aan de ETH Zürich, en co-lead auteur legt uit wat er gebeurde in hun nieuwe studie.
“In de sterk geëxciteerde regio van de hersenen was het leerrendement verzadigd en kon niet langer worden veranderd, wat het leren van motorische vaardigheden remde.”
Voor zover de auteurs weten, was dit de eerste studie die een oorzakelijk verband aantoonde tussen de diepe fase van de slaap en de leerefficiëntie. “We hebben een methode ontwikkeld waarmee we de slaapdiepte in een bepaald deel van de hersenen kunnen verminderen en zo het causale verband tussen diepe slaap en leerefficiëntie kunnen aantonen,” zegt studie co-auteur Prof. Reto Huber.
Slaap helpt ons ook afleren
De tweede studie waarover MNT berichtte, keek naar verschillende slaapfasen. Dit onderzoek toonde echter aan dat slaap de hersenen niet alleen in staat stelt om nieuwe dingen te leren, maar ook om af te leren.
De oorspronkelijke studie uit 2017 betrof een auditieve leertaak. De onderzoekers speelden geluidsreeksen af terwijl de deelnemers sliepen en wakker waren.
Ze volgden de elektrische hersenactiviteit van de vrijwilligers met behulp van een elektro-encefalogram (EEG).
De EEG’s legden ook slaapspindels vast die optraden wanneer de slapende hersenen nieuwe geluiden leerden. Slaapspoeltjes zijn pieken in oscillerende hersenactiviteit die in eerder onderzoek in verband zijn gebracht met leren en geheugenconsolidatie.
Na elke slaapsessie vroegen de experimentatoren de deelnemers om opnieuw naar de geluidsreeksen te luisteren en ze te herkennen. Ze beoordeelden hun leerprestaties door middel van tests.
Met behulp van de EEG-metingen, onderzochten de wetenschappers drie slaapfasen: REM-slaap, lichte niet-REM-slaap, en diepe niet-REM-slaap.
Wanneer blootgesteld aan de geluiden tijdens de REM-slaap of tijdens de lichte niet-REM-slaap, waren de deelnemers beter in het herkennen van de geluiden wanneer ze wakker waren. Maar wanneer blootgesteld aan de nieuwe geluiden tijdens diepe niet-REM-slaap, hadden ze meer moeite met het herkennen van de geluidssequentie tijdens het waken.
Ook, terwijl “EEG-markers van leren gemakkelijk werden waargenomen in de lichte slaap, waren ze duidelijk afwezig in de diepe slaap,” melden de wetenschappers.
Daarnaast, en belangrijk, was het niet alleen moeilijk voor de deelnemers om de geluiden te herkennen die de onderzoekers voor hen hadden afgespeeld in hun diepe niet-REM-slaap, maar ze vonden het ook moeilijker om deze geluiden te (her)leren, in vergelijking met geheel nieuwe geluiden.
De bevindingen suggereren dat diepe niet-REM-slaap niet zozeer is om nieuwe dingen te leren als wel om informatie te onderdrukken.
De grootste verrassing kwam van het vermogen van de hersenen om af te leren. Het lijkt er dus op dat we tijdens de slaap ofwel nieuwe herinneringen kunnen vormen, ofwel kunnen leren, ofwel het omgekeerde kunnen doen: herinneringen onderdrukken en afleren.”
– Thomas Andrillon, eerste auteur van de studie
Ze voegen ook toe aan het bewijs dat diepe slaap helpt om neuroplasticiteit te behouden. Specifiek kan lichte niet-REM-slaap (stadium 2) synapsen helpen prikkelen, terwijl diepe niet-REM-slaap hen kan helpen ontspannen, of ‘downscale.’
“Zo’n contrast tussen lichte en diepe slaap is consistent met een kwalitatief onderscheid tussen deze twee slaapstadia in relatie tot neurale plasticiteit,” schrijven de auteurs. “Volgens deze opvatting, bevordert de lichte slaap synaptische potentiëring, terwijl de diepe slaap synaptische downscaling bevordert.”
“We suggereren geen functionele rol voor het onderdrukkende effect van informatie gepresenteerd tijdens de slaap,” voegen ze eraan toe. “Het lijkt eerder een onvermijdelijk bijproduct van de synaptische downscaling die nodig is voor homeostatische doeleinden.”
Met andere woorden, diepe slaap kan ons helpen af te leren of te vergeten, omdat vergeten een natuurlijk bijproduct is van het behoud van neuroplasticiteit; vergeten is een bijproduct van ons vermogen om te leren.
Het verenigen van slaaptheorieën
Andrillon en collega’s legden ook uit dat hun bevindingen belangrijk zijn omdat ze helpen twee voorheen tegenstrijdige gedachtestromingen te verenigen. De ene ziet slaap’s primaire functie als leren en consolideren van nieuwe informatie. De andere ziet het als het weggooien van nutteloze informatie om de hersenen niet te overweldigen.
Naarmate wetenschappers meer en meer neurowetenschappelijk bewijs verzamelen over hoe slaap werkt, wordt het duidelijk dat over het algemeen dergelijke indelingen en dichotomieën misschien niet de meest nuttige manier zijn om naar slaap te kijken of de rol die slaap heeft bij het leren.
Bijvoorbeeld, een studie die vorige maand werd gepubliceerd, toont aan dat REM-slaap en niet-REM-slaap samenwerken om het leren te stimuleren.
Namelijk verhoogt de niet-REM-slaap de prestaties van nieuw verworven vaardigheden door flexibiliteit en neuroplasticiteit te herstellen, terwijl de REM-slaap deze verbeteringen stabiliseert en voorkomt dat nieuw leren ze uitwist.
Het nieuwe onderzoek ging uit van dezelfde hypothese die de bovenstaande studies lijken te benadrukken – dat slaap de synapsen en de neuronale verbindingen moet versterken die overdag zijn gemaakt (om nieuwe kennis te stollen en te voorkomen dat deze wordt overschreven door nieuwe informatie). Maar het moet ook ‘downscalen’, of ontspannen of verzwakken, de synapsen om hun flexibiliteit en de neuroplasticiteit van de hersenen te behouden.
Deze studie – geleid door Masako Tamaki, van het Department of Cognitive, Linguistic, and Psychological Sciences aan de Brown University in Providence, RI – omvatte een visuele leertaak. De onderzoekers gaven een groep deelnemers twee verschillende taken, een voor het slapen en een na het slapen. De andere groep kreeg geen leertaken.
De wetenschappers gebruikten MRI-scanners en elektroden die ze aanbrachten op het hoofd en de oogleden van de deelnemers. Ze gebruikten ook magnetische resonantiespectroscopie om de twee hersenchemicaliën te meten die betrokken zijn bij neurale plasticiteit (of flexibiliteit van de synapsen) en stabilisatie.
Tamaki en team vonden dat de neuroplasticiteit toenam tijdens de niet-REM-slaap. Dit had associaties met beter leren en taakprestaties na de slaap.
Tijdens de REM-slaap daalde de neurale plasticiteit van de deelnemers, wat correleerde met de stabilisatie van wat ze hadden geleerd. De onderzoekers veronderstellen dat de REM-slaap helpt voorkomen dat het leren vóór de slaap wordt overschreven door het daaropvolgende leren.
In tegenstelling tot de niet-REM-slaap, zagen de onderzoekers de scherpe daling in plasticiteit tijdens de REM-slaap alleen bij de vrijwilligers met een taak om te leren.
In de woorden van de onderzoekers: “De plasticiteit nam toe tijdens de NREM-slaap, ongeacht of er voor de slaap geleerd werd, maar het was geassocieerd met prestatiewinst na de slaap ten opzichte van de prestatie voor de slaap. Daarentegen nam het af tijdens de REM-slaap, maar alleen na de voor-slaap training, en de afname was geassocieerd met stabilisatie van het leren voor de slaap.”
“Deze bevindingen geven aan dat NREM slaap plasticiteit bevordert, wat leidt tot prestatiewinst onafhankelijk van leren, terwijl REM slaap plasticiteit vermindert om leren te stabiliseren op een leerspecifieke manier.”
– Masako Tamaki et al.