If you have ever wondered why sleepwalkers can navigate their surroundings without bumping into obstacles, a new study may hint at the answer. Scientists have discovered that navigational cells in the brain are just as active when we are asleep as when we are awake. The finding builds on last year's discovery of the brain’s ‘GPS system’ which comprises clusters of cells that give us a sense of direction. Scientists have revealed that  navigational brain cells  (an illustration of neurons is shown) are just as active when we are asleep as when we are awake. They made their discovery in the brains of mice . Researchers from NYU Langone Medical Centre, in New York, focused on the 'head direction system' in mice, which acts as a compass. The brain cells in the systems fire more whenever a creature’s head points in a certain direction. They found that these head direction neurons are active during sleep. The researchers studied brain activity in mice during deep, or rapid eye movement (REM) sleep, that’s a stage known for intense dreaming activity in humans, during which brain electrical activity is virtually indistinguishable from that when awake. They found that during deep sleep, the 'needle' of the brain compass in the mice moved at the same speed when they were asleep, as when they were awake. The researchers studied brain activity in mice during slow-wave and  rapid eye movement (REM) sleep, that’s a stage known for intense dreaming activity in humans, during which brain electrical activity is virtually indistinguishable from that when awake. A stock image is shown . For the first time, conscious memories have been implanted into the minds of mice while they slept. Scientists from the Industrial Physics and Chemistry Higher Educational Institution in Paris, France, used the brain's replay process - that of replaying the day's events - to create new memories in the brains of mice, while they slept. The team, led by Karim Benchenane, focused on place cells - which are neurons that fire in response to thinking about, or being in, a specific place – and help animals and humans form internal maps. He monitored the activity of these cells when the mice explored an ‘arena’ using electrodes, isolating the cell that fired in a certain arena location. While the mice slept, they monitored the creature’s brain activity and when the specific place cell fired, an electrode stimulated the brain areas linked to reward. When the mice woke up, they immediately scurried to the location that was linked to the rewarding feeling, showing that a new pleasant memory of the place had been formed by the scientists. The feat offers hope that the same technique could one day be used to change human memories, which could help people who replay traumatic events over and over in their minds. During slow-wave periods of sleep however, when brain activity significantly decreases, they found a 10-fold acceleration of activity, so that the mice were ‘looking around’ even more than when they were awake. ‘We have long known that the brain is at work during sleep,’ said senior Gyorgy Buzsaki, Biggs Professor of Neural Sciences at the university. ‘But now we know how it is working in one of the seemingly simpler senses - head orientation - or our sense of where we look at in any given space. ‘The direction sense is an essential part of our navigation system, since it can reset our internal compass and maps instantaneously, as, for example, when we emerge from the subway and try to orient ourselves.’ The finding could lead to new treatments for navigational problems, which are among the first major symptoms of Alzheimer’s disease and other neurological disorders. For the two year study, described in the journal Nature Neuroscience, researchers videotaped the head movements of mice and recorded the electrical activity in the head-direction regions of the sleeping animals. They focused on the antero-dorsal thalmic nucleus and postsibiculum regions of the brain. The recordings were then compared with similar readings made in the same mice while they were awake and navigating in various environments. Lead author of the study, Dr Adrien Peyrache, said: ‘The coordinated activity during the majority of sleep likely represents a consolidation of places, events and times, a sort of navigational backup system in the brain, during which the brain stores a map to memory.’ The next step will be to monitor other parts of the mouse brain involved in more complex forms of behaviours to see if similar neural activity patterns are at work. Researchers are also planning experiments to test whether head direction and navigation can be electrically controlled and predicted in advance. The finding could lead to new treatments for navigational problems, which are among the first major symptoms of Alzheimer’s disease and other neurological disorders .
Brain’s ‘GPS system’ was only discovered by scientists last year .
NYU experts studied brain cells that act as a compass in the brains of mice .
They found that during deep sleep, the 'needle' of the brain compass in the mice moved at the same speed when they were asleep .
Finding could lead to new treatments for navigational problems in humans .
אם אי פעם תהיתם מדוע סהרורים יכולים לנווט בסביבתם מבלי להיתקל במכשולים, מחקר חדש עשוי לרמוז על התשובה. מדענים גילו שתאי ניווט במוח פעילים באותה מידה כשאנחנו ישנים כמו כשאנחנו ערים. הממצא מתבסס על הגילוי בשנה שעברה של 'מערכת ה-GPS' של המוח, הכוללת צבירי תאים שנותנים לנו תחושת כיוון. מדענים חשפו שתאי ניווט במוח  (מתאר איור של נוירונים) פעילים בדיוק כשאנחנו ישנים כמו כשאנחנו ערים. הם גילו את התגלית שלהם במוחם של עכברים. חוקרים מהמרכז הרפואי NYU Langone, בניו יורק, התמקדו ב'מערכת כיוון הראש' בעכברים, הפועלת כמצפן. תאי המוח במערכות יורים יותר בכל פעם שראשו של יצור מצביע לכיוון מסוים. הם גילו שהנוירונים האלה בכיוון הראש פעילים במהלך השינה. החוקרים חקרו פעילות מוחית בעכברים במהלך שינה עמוקה או תנועת עיניים מהירה (REM), זהו שלב הידוע בפעילות חלימה אינטנסיבית בבני אדם, שבמהלכו כמעט ולא ניתן להבחין בין הפעילות החשמלית המוחית לזו כאשר ערה. הם גילו שבמהלך שינה עמוקה, ה'מחט' של מצפן המוח בעכברים נעה באותה מהירות כשהם ישנים, כמו כשהם ערים. החוקרים חקרו פעילות מוחית בעכברים במהלך שנת גלים איטיים ותנועת עיניים מהירה (REM), זהו שלב הידוע בפעילות חלימה אינטנסיבית בבני אדם, שבמהלכו כמעט ולא ניתן להבחין בין הפעילות החשמלית של המוח לבין זו כאשר ערים. מוצגת תמונת מלאי. בפעם הראשונה, זיכרונות מודעים הושתלו במוחם של עכברים בזמן שהם ישנים. מדענים מהמוסד החינוכי הגבוה לפיזיקה תעשייתית וכימיה בפריז, צרפת, השתמשו בתהליך השידור החוזר של המוח - זה של שידור חוזר של אירועי היום - כדי ליצור זיכרונות חדשים במוחם של עכברים, בזמן שהם ישנים. הצוות, בראשות קארים בנכננה, התמקד בתאי מקום - שהם נוירונים שיורים בתגובה לחשיבה על מקום מסוים או הימצאות בו - ועוזרים לבעלי חיים ולבני אדם ליצור מפות פנימיות. הוא עקב אחר הפעילות של תאים אלה כאשר העכברים חקרו 'זירה' באמצעות אלקטרודות, ובידוד התא שירה במקום מסוים בזירה. בזמן שהעכברים ישנו, הם עקבו אחר פעילות המוח של היצור וכאשר תא המקום הספציפי ירה, אלקטרודה עוררה את אזורי המוח הקשורים לתגמול. כשהעכברים התעוררו, הם מיהרו מיד אל המיקום שהיה מקושר לתחושה המתגמלת, והראו כי זיכרון נעים חדש של המקום נוצר על ידי המדענים. ההישג נותן תקווה שאותה טכניקה תוכל יום אחד לשמש כדי לשנות זיכרונות אנושיים, מה שיכול לעזור לאנשים שמשחזרים אירועים טראומטיים שוב ושוב במוחם. אולם במהלך תקופות של גלים איטיים, כאשר פעילות המוח יורדת באופן משמעותי, הם מצאו האצה של פי 10 של פעילות, כך שהעכברים "הסתכלו מסביב" אפילו יותר מאשר כשהיו ערים. "אנחנו יודעים מזמן שהמוח עובד במהלך השינה", אמר בכיר גיורגי בוזסקי, פרופסור ביגס למדעי העצב באוניברסיטה. "אבל עכשיו אנחנו יודעים איך זה עובד באחד מהחושים הפשוטים יותר לכאורה - כיוון הראש - או התחושה שלנו לאן אנחנו מסתכלים בכל מרחב נתון. "חוש הכיוון הוא חלק מהותי ממערכת הניווט שלנו, מכיוון שהוא יכול לאפס את המצפן הפנימי והמפות שלנו באופן מיידי, כמו, למשל, כשאנחנו יוצאים מהרכבת התחתית ומנסים להתמצא." הממצא יכול להוביל לטיפולים חדשים עבור בעיות ניווט, שהן בין התסמינים העיקריים הראשונים של מחלת אלצהיימר והפרעות נוירולוגיות אחרות. עבור המחקר השנתיים, המתואר בכתב העת Nature Neuroscience, החוקרים תיעדו את תנועות הראש של עכברים ותיעדו את הפעילות החשמלית באזורי כיוון הראש של בעלי החיים הישנים. הם התמקדו בגרעין התלמי האנטורו-דורסלי ובאזורי הפוסט-סיביקולום של המוח. לאחר מכן הושוו ההקלטות לקריאות דומות שנעשו באותם עכברים בזמן שהם ערים וניווטו בסביבות שונות. המחבר הראשי של המחקר, ד"ר אדריאן פייראצ'ה, אמר: "הפעילות המתואמת במהלך רוב השינה מייצגת ככל הנראה איחוד של מקומות, אירועים וזמנים, מעין מערכת גיבוי ניווט במוח, שבמהלכה המוח מאחסן מפה זיכרון." השלב הבא יהיה לנטר חלקים אחרים במוח העכבר המעורבים בצורות מורכבות יותר של התנהגויות כדי לראות אם דפוסי פעילות עצבית דומים פועלים. החוקרים גם מתכננים ניסויים כדי לבדוק אם ניתן לשלוט חשמלית ולחזות מראש את כיוון הראש והניווט. הממצא עשוי להוביל לטיפולים חדשים לבעיות ניווט, שהם בין התסמינים העיקריים הראשונים של מחלת אלצהיימר והפרעות נוירולוגיות אחרות.
"מערכת ה-GPS" של Brain התגלתה רק על ידי מדענים בשנה שעברה.
מומחי NYU חקרו תאי מוח הפועלים כמצפן במוחם של עכברים.
הם גילו שבמהלך שינה עמוקה, ה'מחט' של מצפן המוח בעכברים נעה באותה מהירות כשהם ישנים.
ממצא יכול להוביל לטיפולים חדשים לבעיות ניווט בבני אדם.