Abstract

 Improvement in motor skill performance is known to continue for at least 24 hr following training, yet the relative contributions of time spent awake and asleep are unknown. Here we provide evidence that a night of sleep results in a 20% increase in motor speed without loss of accuracy, while an equivalent period of time during wake provides no significant benefit. Furthermore, a significant correlation exists between the improved performance overnight and the amount of stage 2 NREM sleep, particularly late in the night. This finding of sleep-dependent motor skill improvement may have important implications for the efficient learning of all skilled actions in humans.

During the sleep cycle in cats, neurons localized to the posterolateral pole of the nucleus locus coeruleus and the nucleus subcoeruleus undergo discharge rate changes that are the opposite of those of the pontine reticular giant cells. The inverse rate ratios and activity curves of these two interconnected populations are compatible with reciprocal interaction as a physiological basis of sleep cycle oscillation.

Performance on a visual discrimination task showed maximal improvement 48–96 hours after initial training, even without intervening practice. When subjects were deprived of sleep for 30 hours after training and then tested after two full nights of recovery sleep, they showed no significant improvement, despite normal levels of alertness. Together with previous findings11 that subjects show no improvement when retested the same day as training, this demonstrates that sleep within 30 hours of training is absolutely required for improved performance.

A model for control of the desynchronized phase of the sleep cycle postulates reciprocal interaction between cells in the pontine gigantocellular tegmental field (FTG cells) and cells in the nucleus locus coeruleus and nucleus subcoeruleus (LC cells). This physiological model leads to equations of the Lotka-Volterra type; the time course of activity predicted by the model is in good agreement with actual long-term recordings of FTG cells and single-cycle data for LC cells.

Abstract Performance on a visual discrimination task shows longterm improvement after a single training session. When tested within 24 hr of training, improvement, was not observed unless subjects obtained at least 6 hr of postraining sleep prior to retesting, in which case improvement was proportional to the amount of sleep in excess of 6 hr. For subjects averaging 8 hr of sleep, overnight improvement was proportional to the amount of slow wave sleep (SWS) in the first quarter of the night, as well as the amount of rapid eye movement sleep (REM) in the last quarter. REM during the intervening 4 hr did not appear to contribute to improvement. A two-step process, modeling throughput as the product of the amount of early SWS and late REM, accounts for 80 percent of intersubject variance. These results suggest that, in the case of this visual discrimination task, both SWS and REM are required to consolidate experience-dependent neuronal changes into a form that supports improved task performance.

Twelve subjects were studied for a total of 30 nights of uninterrupted sleep by simultaneous recording of EEG, eye movements, heart rate, respiration, and systolic blood pressure. In agreement with previous reports, progressive decreases in heart and respiratory rates and an early fall followed by a sustained rise in systolic blood pressure were found to be consistent base-line trends. Superimposed upon these trends and coinciding with the regular recurrence of stage I rapid eye movements (REM) there were periodic changes in these three functions of two kinds: a) slight increases in average level and b) marked increases in minute-to-minute variability. The changes in average level of blood pressure and of both blood pressure and heart rate variability were more conspicuous during the later REM periods of the night. Alternative interpretations and possible medical implications of these findings are discussed. dreaming; sleep and EEG; eye movements and sleep Submitted on October 11, 1963

Growing evidence suggests that sleep plays an important role in the process of procedural learning. Most recently, sleep has been implicated in the continued development of motor-skill learning following initial acquisition. However, the temporal evolution of motor learning before and after sleep, the effects of different training regimens, and the long-term development of motor learning across multiple nights of sleep remain unknown. Here, we report data for subjects trained and retested on a sequential finger-tapping task across multiple days. The findings demonstrate firstly that following initial training, small practice-dependent improvements are possible before, but not following the large practice-independent gains that develop across a night of sleep. Secondly, doubling the quantity of initial training does not alter the amount of subsequent sleep-dependent learning that develops overnight. Thirdly, the amount of sleep-dependent learning does not correlate with the amount of practice-dependent learning achieved during training, suggesting the existence of two discrete motor-learning processes. Finally, whereas the majority of sleep-dependent motor-skill learning develops during the first night of sleep following training, additional nights of sleep still offer continued improvements.

The pontine brain stem hypothesis of desynchronized sleep generation has been tested with cellular methods confirming its three principal tenets: Ascending activation is apparent in the increased discharge of almost every forebrain neuronal population that has been studied. The precise synaptic mechanisms mediating this net excitation have not been elucidated but tonic postsynaptic facilitation is likely to underlie EEG desynchronization while presynaptic inhibition and phasic postsynaptic facilitation are probably involved in PGO wave generation. Descending inhibition of spinal reflex activity has been documented and analyzed in detail. Indirect, but strong evidence favors the operation of tonic postsynaptic inhibition, phasic postsynaptic excitation and presynaptic inhibition in the genesis of atonia, muscle twitches, and phasic sensory changes respectively. Pontine control of some of these events has been strengthened by the satisfaction of criteria for executive neurones by the giant cells of the pontine reticular formation (FTG). These neurones may be directly responsible for phasic events including the REMs, muscle twitches, and PGO waves. They may be indirectly responsible for EEG desynchronization through recruitment of more rostral reticular elements. They are probably not responsible for the atonia which is more likely mediated by their more caudal medullary reticular congeners. The mechanism of periodic activation of the executive neurones in the FTG may be that of reciprocal interaction with other pontine level-setting elements for which the best candidates are those neurones in the locus coeruleus and dorsal raphé nucleus having activity curves reciprocal to those of the FTG. A precise neurophysiological and mathematical model of reciprocal interaction is described. The reciprocal interaction hypothesis of desynchronized sleep control finds independent confirmation in a vast array of pharmacological data on sleep. In particular, the following tenets of the hypothesis are supported: The executive elements of the pontine brain stem control system include the giant cells of the reticular formation (FTG). These cells are cholinoceptive and cholinergic. They excite postsynaptic follower elements including each other. When cholinergically activated, the FTG neurones cholinergically generated desynchronized sleep events including EEG desynchronization, eye movements, PGO and other phasic events. Drugs which enchance cholinergic synaptic transmission, especially when injected into the giant cell fields, enchance descynchronized sleep. By contrast, anticholinergic compounds suppress desynchronized sleep. Cholinergic agents may also show suppress desynchronized sleep when injected into the presumed level setting neuronal pools of the dorsal raphé nucleus (DRN) and locus coeruleus (LC). The level-setting elements for the FTG include cells in the DRN and LC. These cells may be aminergic and aminoceptive, inhibiting their postsynaptic followers including each other. When activated, they suppress desynchronized sleep events especially atonia and PGO activity. Drugs which enchance aminergic synaptic transmission tend to suppress desynchronized sleep. Antiaminergic agents tend to enhance desynchronized sleep. Aminergic drugs should suppress desynchronized sleep when injected into the pool of generator neurones in the FTG. The reciprocal interaction hypothesis thus orders an otherwise confusing pharmacological literature and gives rise to new and testable hypotheses of sleep-cycle regulation. The combination of chronic microelectrode recording and microinjection techniques may thus result in a precise cellular neuropharmacology of those reticular systems long thought to regulate sleep and other vegetative phenomena.