Sen i nauka Understand article

Tłumaczenie Małgorzata Szmigielska. Czy sen to jedynie bierny odpoczynek po ciężkim dniu, czy może coś więcej? Przywołując słowa swojej babci, Angelika Börsch-Haubold rozważa skutki pewnego ciekawego badania. Sprawdź, do jakich wniosków doszli naukowcy!

Moja babcia zwykła była mówić, że uczyć można się tylko po dobrze przespanej nocy. Twierdziła nawet, że najlepiej jest położyć się spać przed północą. Dzieci zazwyczaj zasypiają kiedy są zmęczone, ale większość nastolatków w imię wyzwolenia się spod władzy rodzicielskiej przesiaduje do późna w nocy. I nasze społeczeństwo wydaje się temu sprzyjać – śpimy dziś o 20% krócej niż nasi przodkowie, ponieważ dłużej pracujemy, a wieczory wypełniają nam spotkania towarzyskie (Hargreaves, 2000).

Powszechnie wiadomo, że późne zasypianie lub regularna utrata nawet niewielkich ilości snu wpływają niekorzystnie na nasze funkcje poznawcze. Szacuje się, że zmęczenie jest ważnym czynnikiem w jednej trzeciej wypadków samochodowych i główną przyczyną śmiertelnych kolizji na drogach wśród osób między 18. a 25. rokiem życia. Ale zbyt krótki sen nie stanowi zagrożenia tylko dla naszego własnego zdrowia. W anonimowej ankiecie przeprowadzonej wśród personelu szpitali w San Francisco, ponad 40% pracowników przyznało, że popełnione przez nich błędy, spowodowane zmęczeniem, przyczyniły się do śmierci przynajmniej jednego pacjenta.

Prostą oznaką niedostatku snu jest chęć zdrzemnięcia się w ciągu dnia. Zdarza się, że odczuwają ją uczniowie podczas lekcji, studenci siedzący nad książkami, ludzie w podróżach służbowych albo starsze osoby siedzące przed telewizorem. Niedostatek snu jest zatem powszechnym zjawiskiem i oprócz tego, że może mieć naprawdę fatalne skutki, poważnie rzutuje na zdolność zapamiętywania, a więc także uczenia się.

Konsolidacja pamięci i wgląd

Na przestrzeni ostatnich kilku lat naukowcy odkryli, że sen jest odpowiedzialny za wiele więcej niż tylko regenerację sił. W czasie snu mózg jest aktywnie zaangażowany w proces nauki (Huber et al., 2004), co jest kluczowe dla kształtowania się pamięci długotrwałej. Pierwsza pamięć, która powstaje kiedy uczymy się czegoś nowego, łatwo może ulec interferencji. Po pewnym czasie rozpoczyna się automatyczny proces zwany konsolidacją, trwający także w trakcie snu, który prowadzi do stabilizacji i wzmocnienia pamięci. Tak więc, nasz mózg działa sprawniej po popołudniowej drzemce i o wiele sprawniej po dobrze przespanej nocy (Stickgold, 2005). Także kiedy główkujemy nad skomplikowanym zadaniem, nasz mózg kontynuuje pracę podczas snu. Zrozumienie danej reguły może zatem przyjść do nas nagle, możemy doświadczyć wglądu – nagłego olśnienia, czasem wywołanego nawet przez marzenie senne. Próbę zmierzenia wpływu snu na konsolidację pamięci i wgląd stanowią dwa, opisane poniżej, eksperymenty.

Co się dzieje z mózgiem podczas snu?

Podwzgórze, jako centralny narząd regulujący czynności autonomicznego układu nerwowego, kontroluje rytmikę okołodobową (zegar biologiczny) temperatury ciała, wydzielania hormonów, łaknienia i snu. Regulacja tej ostatniej odbywa się w podwzgórzu na zasadzie przełącznika sen-czuwanie. Nagłe przejście w tryb snu („zapadnięcie” w sen) oznacza pobudzenie neuronów snu i zahamowania neuronów odpowiedzialnych za czuwanie. Mechanizm ten stabilizuje trzecia grupa neuronów, bez których ciągły sen byłby niemożliwy (Saper et al., 2005). Przykład huśtawki może zobrazować mechanizm działania tego przełącznika. Wyobraźmy sobie dwoje dzieci huśtających się na konikach. Kiedy jedno jest w górze, drugie jest na dole. To właśnie przełącznik. Trzecie dziecko siedzi na środku drążka. Kiedy przenosi ciężar ciała na jedną stronę, zatrzymuje ruch huśtawki – stabilizuje ją.

Mechanizm ten generuje dwie, dobrze już znane, fazy snu: fazę REM, w której pojawiają się marzenia senne i fazę NREM, w której wyróżnia się etapy I i II – lekkiego snu oraz etapy III i IV – snu głębokiego. Sen nocny tworzą 90 minutowe cykle snu głębokiego i lekkiego. Długie etapy III i IV przechodzą w krótki fazę REM i etapy I i II. Z biegiem nocy głęboki sen staje się coraz krótszy, a czas marzeń sennych się wydłuża.

Sen wydaje się mieć podwójną funkcję fizjologiczną. Po pierwsze, faza NREM to czas niskiego zapotrzebowania na składniki odżywcze oraz uzupełniania magazynu energii w postaci trifosforanu adenozyny (ATP), zużywanego przez nas w czasie aktywności. Produkt rozpadu ATP, adenozyna, poprzez aktywację neuronów odpowiedzialnych za sen, działa jak fizjologiczny środek usypiający. Po drugie, sen jest kluczowy dla plastyczności neuronalnej. Kiedy śpimy, ważne połączenia między neuronami zostają wzmocnione, a przypadkowe połączenia znikają. Wszystkie etapy snu mają znaczenie dla procesu nauki.

Wzmocnienie pamięci

Wpływ snu na proces nauki najłatwiej określić mierząc nieświadome uczenie się. Można to zrobić badając sprawności motoryczne, jak na przykład pisanie na klawiaturze, albo też badając sprawności percepcyjne, na przykład rozróżnianie poziomych kształtów na tle ukośnych.

W eksperymencie polegającym na pisaniu na klawiaturze, uczestnicy mieli jak najszybciej napisać ciąg cyfr, na przykład 4-1-2-2-4 (zob. ramka). Pierwsze postępy widoczne były już po pięciu minutach ćwiczeń, a po kolejnych dwunastu 30-sekundowych próbach tempo pisania zwiększyło się o 60% (Stickgold, 2005). W powtórnej próbie, przeprowadzonej po przerwie trwającej od 4 do 12 godzin, nie było widać dalszych postępów, ale po przespanej nocy i tempo, i poprawność wykonania zadania zwiększyły się o 20% i o 26% po kolejnych dwóch nocach. Takie dane dowodzą tego, że w czasie snu pamięć się poprawia.

Co ciekawe, sen pomaga w nauce pod warunkiem, że nie przyswajamy naraz treści tego samego typu. Odnosząc się do opisanego eksperymentu, jeśli bezpośrednio po pierwszym treningu przejdziemy do nauki drugiego ciągu cyfr, na drugi dzień postępy będą widoczne tylko przy pisaniu tego ostatniego (Walker et al., 2003). Różne odstępy czasu między pierwszą a powtórną próbą wskazują, że pamięć przechodzi pierwszą fazę konsolidacji w przedziale od 10 minut do 6 godzin po nauce i tylko po tym okresie czasu staje się odporna na interferencję. Jeśli jednak nie poświęcimy dostatecznie dużo czasu na powtórki, pamięć z powrotem staje się na nią podatna.

Dowody naukowe na to, że w czasie snu dochodzi do konsolidacji pamięci wydarzeń (tego, co wydarzyło się wczoraj) i faktów (imienia nowego kolegi z pracy) są słabsze. Jednak wyniki niektórych eksperymentów, polegających na zapamiętywaniu niemających znaczenia słów czy skojarzonych par wyrazów, pozwalają przypuszczać, że pierwsze godziny snu nocnego (w których dominuje sen głęboki) wspomagają pamięć deklaratywną (Stickgold, 2005).

Sen i wgląd

Za zjawiskiem wglądu stoją złożone procesy poznawcze. Znakomitym przykładem doświadczenia wglądu wywołanego przez sen jest historia Jamesa Watsona, odkrywcy podwójnej helisy DNA. Na początku 1953 roku, w czasie prac nad określeniem sposobu łączenia się ze sobą zasad azotowych, niezbędnym do opisania struktury DNA, Watson był przekonany, że cztery podstawowe związki: adenina, guanina, cytozyna i tymina, łączą się ze sobą tworząc cząsteczki dwóch tych samych zasad połączonych wiązaniami wodorowymi. Szybko jednak jego hipoteza została zakwestionowana przez krystalografów. Po pierwsze, wbrew temu, co twierdziły podręczniki, dominującą formą guaniny i tyminy miała być forma ketonowa, nie enolowa. Po drugie, przypomniano Watsonowi Regułę Chargaffa, mówiącą, że w strukturze DNA liczba cząsteczek adeniny równa jest liczbie cząsteczek tyminy, a liczba cząsteczek guaniny liczbie cząsteczek cytozyny.

Wiedza ta nadal nie pozwoliła Watsonowi znaleźć rozwiązania, mimo, że jeszcze tego samego dnia zaczął wycinać z kartonu modele cząsteczek. Następnego ranka napisał jednak: „Nagle uświadomiłem sobie, że para adenina-tymina połączona dwoma wiązaniami wodorowymi ma identyczny kształt jak para guanina-cytozyna […] Wszystkie wiązania wodorowe wydawały się powstawać naturalnie […] Nagle, Reguła Chargaffa zaczęła wynikać ze struktury cząsteczki DNA tworzącej podwójną helisę” (Watson, 1980). Tak narodził się model podwójnej helisy autorstwa Watsona i Cricka.

Aby określić, kiedy dokładnie w toku nauki ma miejsce wgląd, naukowcy (ramka nr 2; Wagner et al., 2004) przeprowadzili wśród grupy osób test, polegający na „skracaniu” ciągu ośmiu cyfr do jednej cyfry, poprzez zastosowanie dwóch prostych reguł. Cyfrę tę dało się także określić stosując pewien skrót w obliczeniach, którego badane osoby nie znały. Liczba osób, które odkryły ten skrót powracając do zadania po przerwie, była wyższa w grupie, która tę przerwę wykorzystała na sen, niż w grupie, która w czasie przerwy nie spała, stanowiąc odpowiednio 26% i 22% w obu grupach.

Wniosek

Najnowsze badania nad snem i procesem uczenia się dają powiedzeniu mojej babci solidne podstawy naukowe. Może więc już czas przeprowadzić rewizję sennych przyzwyczajeń, szczególnie, że niedostatek snu jest problem, który dotyczy nas wszystkich. Skoro przez całe życie czerpiemy korzyści ze skutecznych metod nauki, zrozumienie potrzeb naszego mózgu tym bardziej pomoże nam się uczyć, pracować i miło spędzać czas – w zgodzie, nie na przekór, naszej neurofizjologii. Prześpijmy się z tą myślą.

Pisanie na klawiaturze – przebieg eksperymentu

Pobierz plik Excel FingerTap.xls^w1, skopiuj go i nazwij imieniem osoby, która będzie wykonywała zadanie.

Uczniowie pracują w parach. Jeden uczeń (praworęczny) kładzie cztery palce lewej ręki na klawiszach 1-4, tak jak pokazano na rysunku. Jego zadanie polega na wpisywaniu ciągu cyfr widocznego na górze skoroszytu w kolejne komórki, rozpoczynając od kolumny nazwanej „run 1”. Po każdej wpisanej sekwencji, uczeń naciska palcem prawej ręki klawisz enter i przenosi się do komórki niżej. Wpisywane cyfry nie są widoczne w skoroszycie. Drugi uczeń mierzy czas.

Na zapełnienie komórek jednej kolumny jest 30 sekund, po czym następuje 30-sekundowa przerwa. Ćwiczenie składa się z 12 serii (dwanaście kolumn z części „train”, od „run 1” do „run 12”). Powtórna próba, składająca się z 6 serii (sześć kolumn z części „retest”, od „run 1” do „run 6”) przeprowadzana jest na tych samym zasadach, w odstępie czasu 6-8 godzin (w grupie „aktywnych” uczestników) lub na drugi dzień, po przespanej nocy (w grupie „śpiących” uczestników).

Pierwszy arkusz Excel obliczy wszystkie poprawnie wpisane sekwencje, a wynik będzie widoczny w komórkach „score” (wiersz 56). Drugi arkusz porówna wyniki pierwszej i powtórnej próby oraz określi różnicę wyników w dwóch badanych grupach.

Przykłady wypełnionych arkuszy można pobrać ze strony Science in School ^w1.

Skracanie ciągu cyfr – przebieg eksperymentu

Końcowym wynikiem skracania ciągu ośmiu cyfr (składających się z cyfr: 1,4 i 9) jest jedna cyfra, którą uczniowie otrzymują porównując ze sobą cyfry za pomocą dwóch reguł: 1) reguły tożsamości i 2) reguły odmienności

1. Reguła tożsamości mówi, że wynikiem porównania dwóch takich samych cyfr jest ta sama cyfra (np. 1 i 1 daje 1).
2. Reguła odmienności mówi, że wynikiem porównania dwóch różnych cyfr jest trzecia cyfra (np. 1 i 4 daje 9).

Po pierwszej odpowiedzi porównuje się ostatnią zapisaną cyfrę z następną cyfrą danego ciągu (zakreślone cyfry, strzałka wskazuje wynik porównania). Siódma otrzymana w ten sposób cyfra jest końcowym wynikiem. Należy mierzyć czas wykonania zadania.

Uczniowie nie wiedzą o istnieniu ukrytej reguły – ciągi są ułożone w taki sposób, że wynik drugiego z kolei porównania (druga zapisana cyfra) jest taka sama jak siódma cyfra, czyli końcowy wynik. Odkrycie tej prawidłowości zdecydowanie skraca czas wykonania zadania.

Przed rozpoczęciem eksperymentu uczniowie mają przećwiczyć skracanie ciągów na 10 przykładach (dla których opisana wyżej reguła nie działa), tak aby było pewne, że rozumieją, na czym polega reguła tożsamości i reguła odmienności. Ciągi cyfr do wstępnego przećwiczenia i do wykorzystania podczas eksperymentu można pobrać w pliku Word^w1.

Eksperyment składa się z pierwszej próby (trzy bloki zadań, każdy po 30 ciągów do skrócenia), przerwy trwającej 8 godzin, w czasie której jedna grupa uczniów kładzie się spać i ponownej próby (10 bloków zadań). Następnie oblicza się procent uczniów, którzy odkryli ukrytą regułę i porównuje wyniki między „śpiącą” a „aktywną” grupą. W oryginalnym badaniu czas odpowiedzi osób, które odkryły ukrytą regułę skrócił się od 8,7 do 2,4 sekundy.

Przygotowując eksperyment, upewnij się, że uczniowie nie podejrzewają, że może istnieć skrót. Jeśli jakiś uczeń odkryje go podczas pierwszych ćwiczeń, jego wyniki nie są brane pod uwagę.

Podziękowania

Podziękowania dla Roberta Stickgolda (Harvard Medical School, Boston, MA, USA) and UllrichaWagnera (Universität Lübeck, Niemcy), którzy przeprowadzili opisane tu badania, za uwagi odnośnie projektu ćwiczeń lekcyjnych.