Project

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A cross-species study of the impact of sleep on rule generalization learning and its underlying neocortical activities in humans and rats

Applicant Klaassen Arndt-Lukas
Number 168602
Funding scheme Doc.CH
Research institution Département de Psychologie Université de Fribourg
Institution of higher education University of Fribourg - FR
Main discipline Psychology
Start/End 01.10.2016 - 30.11.2019
Approved amount 204'613.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Psychology
Neurophysiology and Brain Research

Keywords (6)

rule generalization; replay activities; memory consolidation; auditory reactivation; electrophysiology; sleep

Lay Summary (German)

Lead
Neuere experimentelle Studien im Menschen zeigten, dass Schlaf eine unterstützende Rolle beim Erlernen grammatikalischer Regeln spielt. Der zugrundeliegende neuronale Mechanismus ist jedoch noch weitestgehend unerforscht. Dieses Projekt hat zum Ziel diese förderlichen Gehirnaktivitäten im Schlaf zu untersuchen und somit zu einem verbesserten Verständnis des Zusammenspiels zwischen dem Erlernen von Regeln und Schlaf beizutragen.
Lay summary

Es wurde bereits in etlichen Studien gezeigt, dass Schlaf hilft Lerninhalte besser im Gedächtnis abzuspeichern. Interessanterweise berichten neuere Studien, dass Schlaf auch dazu beiträgt Regeln und Sinnzusammenhänge besser zu erkennen und dieses Regelwissen auf neue Fälle anzuwenden. Diese Befunde lassen auf aktive Prozesse im Schlaf für das Verstehen und Generalisieren von Regeln schliessen. Hierbei wird angenommen, dass in darauffolgenden Schlafphasen, die zuvor präsentierten einzelnen Lerninhalte wieder aktiviert werden und dadurch neuronale Repräsentationen des Regelwissens im Gehirn entstehen und verstärkt werden. Dieses Projekt hat zum Ziel dieses theoretische Modell erstmals empirisch zu überprüfen. Hierfür werden vergleichbare Regellern-Schlaf-Experimente im Menschen und der Ratte durchgeführt um die zusammenhängenden neokortikalen Aktivitäten mit zusätzlichen intrakraniellen elektrophysiologischen Methoden zu erfassen. Durch das erneute hörbare Präsentieren von Lerninhalten im Schlaf soll überprüft werden ob schlafabhängige Regellernprozesse gezielt hervorgerufen können und dies zu einer verbesserten Lernleistung führt. Diese Studie verspricht durch vergleichbare Lernexperimente im Menschen und der Ratte neue Einblicke in die kognitiven und neuronalen Mechanismen des schlafabhängigen Regellernens.

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts

Dieses Forschungsprojekt aus der Grundlagenforschung möchte dazu beitragen schlafabhängige Lern- und Gedächtnisprozesse besser zu verstehen. Untersuchungen auf neuronaler Ebene und Verhaltensebene im Menschen und der Ratte sollen zu einem ganzheitlichen Erkenntnisgewinn beitragen. Im Weiteren soll dieses Projekt die Entwicklung klinischer Rehabilitationsverfahren mit Unterstützung von gezielter, auditorischer Gedächtnisreaktivierung im Schlaf anregen. 

Direct link to Lay Summary Last update: 22.08.2016

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Publications

Publication
Basal forebrain contributes to default mode network regulation
Nair Jayakrishnan, Klaassen Arndt-Lukas, Arato Jozsef, Vyssotski Alexei L., Harvey Michael, Rainer Gregor (2018), Basal forebrain contributes to default mode network regulation, in Proceedings of the National Academy of Sciences, 115(6), 1352-1357.
Gamma band directional interactions between basal forebrain and visual cortex during wake and sleep states
Nair Jayakrishnan, Klaassen Arndt-Lukas, Poirot Jordan, Vyssotski Alexei, Rasch Björn, Rainer Gregor (2016), Gamma band directional interactions between basal forebrain and visual cortex during wake and sleep states, in Journal of Physiology-Paris, 110(1-2), 19-28.
Role of the Thalamus in Basal Forebrain regulation of neural activity in the Primary Auditory Cortex
AzimiHamid, KlaassenArndt-Lukas, ThomasKevin, HarveyMichael, RainerGregor, Role of the Thalamus in Basal Forebrain regulation of neural activity in the Primary Auditory Cortex, in Cerebral Cortex.

Scientific events

Active participation

Title Type of contribution Title of article or contribution Date Place Persons involved
Society for Neuroscience, annual meeting 2019 Poster Optogenetic up- and down regulation of basal forebrain activation impacts distinct aspects of auditory learning 20.10.2019 Chicago, United States of America Klaassen Arndt-Lukas;
Neuro Meetups Bern Individual talk Basal forebrain contributions to brain state regulation during auditory learning and sleep 03.07.2019 Bern, Switzerland Klaassen Arndt-Lukas;
Annual Meeting of the Swiss Society of Sleep Research, 2019 Poster Basal forebrain contributions to brain state regulation during auditory learning and sleep 28.06.2019 Fribourg, Switzerland Klaassen Arndt-Lukas;
"Psychologie & Gehirn" der Deutschen Gesellschaft für Psychologie (DGP) Poster EEG correlates of auditory learning and memory reactivation during sleep 21.06.2019 Dresden, Germany Klaassen Arndt-Lukas;
Fribourg Day of Cognition 2018 Talk given at a conference The role of the basal forebrain in auditory learning 03.10.2018 Fribourg, Switzerland Klaassen Arndt-Lukas;
Swiss Society of Neuroscience, annual meeting 2018 Poster The role of GABAergic Basal Forebrain projections in processing of complex sounds in rat auditory thalamus and cortex 09.02.2018 Zürich, Switzerland Klaassen Arndt-Lukas;
Fribourg Day of Cognition 2017 Individual talk A learning task of classical music discrimination in rats 04.10.2017 Fribourg, Switzerland Klaassen Arndt-Lukas;
Swiss Society of Neuroscience, annual meeting 2017 Poster Gamma suppression in the Basal Forebrain during exploratory behavior 27.01.2017 Basel, Switzerland Klaassen Arndt-Lukas;
Society for Neuroscience, annual meeting 2016 Poster State dependence of directional interactions between basal forebrain and visual cortex in theta and gamma band local field potentials 12.11.2016 San Diego, United States of America Klaassen Arndt-Lukas;


Abstract

Studies in humans have shown a beneficial impact of sleep on abstraction, generalization and insights into hidden regularities. To explain these effects, the “information overlap to abstract” hypothesis suggests that new schemata are formed during slow wave sleep due to overlap in re-activated memories. These new schemata selectively strengthen shared elements of recent memories and underlie cognitive abstraction and generalization. To test this hypothesis for sleep dependent auditory rule generalization learning, we will combine in a cross-species approach non-invasive EEG recordings in humans with invasive measurements in rats. Our purpose is to draw inferences from the rat model about the underlying neuronal mechanisms in humans by using similar experiments of auditory rule learning in both species. We aim to reactivate rule-related memories by auditory re-presentation of the previously learned auditory rules during slow wave sleep. After sleep, we will test the impact of this auditory memory reactivation on the ability to generalize the rule to novel stimuli. To study the efficiency of auditory memory reactivation with respect to the ongoing up- or downstates of slow wave sleep, we will present auditory stimuli at different phases of the slow oscillation in a closed-loop approach. In accordance with the system memory consolidation hypothesis, we expect a crucial involvement of neocortical regions in long-term memory embedding and rule related schema formation. Based on recordings of EEG in humans, local field potentials and single neurons in rats, we will be able to relate neocortical activities on different neuronal levels to rule reactivation and generalization. We expect replay activities of neuronal ensembles related to previous auditory rule learning in the primary auditory cortex and in the medial prefrontal cortex. We hypothesize that enhanced replay activity by auditory reactivation takes place during slow wave sleep, and is associated with rule generalization performance. Taken together, this proposed project will provide an innovative cross-species approach to obtain new insights in sleep dependent rule generalization learning with respect to current debates in the research field of sleep and memory.
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