Když sníme, je náš mozek plný hlučné elektrické aktivity, která vypadá téměř stejně jako v bdělém mozku.
Vědci z Kalifornské univerzity v Berkeley však z tohoto hluku vytáhli signál, který jedinečným způsobem definuje snění neboli spánek REM, což by mohlo usnadnit sledování lidí s poruchami spánku, stejně jako pacientů v kómatu v bezvědomí nebo v anestezii.
Každý rok se statisíce lidí podrobí nočním studiím, aby se diagnostikovaly problémy s jejich spánkem, přičemž většina z nich je napojena na elektroencefalogram (EEG), který sleduje mozkovou aktivitu při přechodu z bdělosti do hlubokého, pomalovlnného spánku a dále do spánku REM. Samotné EEG však nedokáže určit, zda je pacient vzhůru, nebo zda sní: Lékaři mohou rozlišit spánek REM pouze na základě záznamu rychlých očních pohybů – odtud název – a svalového tonu, protože naše tělo se uvolňuje v celkové paralýze, aby nám zabránilo hrát sny.
„Nyní máme skutečně metriku, která vám přesně řekne, kdy jste ve spánku REM. Je to univerzální metrika toho, že jsme v bezvědomí,“ řekl Robert Knight, profesor psychologie a neurovědy na Kalifornské univerzitě v Berkeley a hlavní autor článku popisujícího výzkum, který byl 28. července zveřejněn v internetovém časopise eLife.
„Tato nová zjištění ukazují, že v elektrické statice lidského mozku je ukryto něco naprosto jedinečného – jednoduchý podpis,“ řekl spoluautor a výzkumník spánku Matthew Walker, profesor psychologie a neurovědy na Kalifornské univerzitě v Berkeley. „A pokud tento jednoduchý elektrický podpis změříme, můžeme poprvé přesně určit, jaký stav vědomí člověk prožívá – snění, bdělost, anestezii nebo hluboký spánek.“
Schopnost rozlišit spánek REM pomocí EEG umožní lékařům sledovat lidi v anestezii během operace a zkoumat, jak se bezvědomí vyvolané narkotiky liší od normálního spánku – což je stále nevyřešená otázka. To je hlavní důvod, proč první autorka Janna Lendnerová, rezidentka v oboru anesteziologie, iniciovala tuto studii.
„Našim pacientům často říkáme: ‚Teď půjdete spát,‘ a já jsem byla zvědavá, jak moc se tyto dva stavy vlastně překrývají,“ řekla Lendnerová, doktorandka na Kalifornské univerzitě v Berkeley, která je ve čtvrtém ročníku anesteziologie v Univerzitním lékařském centru v německém Tübingenu. „Anestezie může mít některé vedlejší účinky. Pokud se dozvíme něco o tom, jak se překrývají – možná anestezie unáší některé spánkové dráhy – možná budeme schopni anestezii dlouhodobě zlepšit.“
Spánek uklidňuje mozek
Spánek, jak napsal Walker ve své knize „Proč spíme“ z roku 2017, „obohacuje rozmanité funkce, včetně naší schopnosti učit se, zapamatovat si a činit logická rozhodnutí a volby“. Spánek blahodárně slouží našemu psychickému zdraví, rekalibruje naše emoční mozkové obvody, což nám umožňuje zvládat sociální a psychologické výzvy následujícího dne s chladnou hlavou.“
Narušený spánek toto vše narušuje a zvyšuje riziko zdravotních, psychiatrických a neurologických onemocnění.
Většina výzkumů spánku se zaměřuje na synchronizované, rytmické vlny, které proudí nervovou sítí mozku, od pomalých vln, které signalizují hluboký spánek, typicky v prvních hodinách noci, až po vlny s vyšší frekvencí typické pro spánek ve snu. Tyto vlny vystupují nad množstvím obecné aktivity, nazývané také 1/f, která byla obvykle odmítána jako šum a ignorována.
Knight a jeho laboratoř se však tímto „šumem“ zabývají již deset let a zjistili, že obsahuje užitečné informace o stavu mozku. V roce 2015 například spolu s Bradleym Voytekem, bývalým doktorandem, který nyní působí na fakultě Kalifornské univerzity v San Diegu, zjistili, že množství vysokofrekvenční aktivity se s věkem zvyšuje. Lendner nyní zjistil, že rychlejší pokles vysokofrekvenční aktivity ve srovnání s nízkofrekvenční aktivitou je jedinečným znakem spánku REM.
„Existuje tato aktivita na pozadí, která není rytmická, a my jsme ji poměrně dlouho přehlíželi,“ řekl Lendner. „Někdy se jí říkalo šum, ale není to šum; nese mnoho informací, také o základní úrovni vzrušení. Toto měření umožňuje rozlišit spánek REM od bdělosti pouhým pohledem na EEG.“
Protože pomalé vlny jsou spojeny s inhibicí aktivity v mozku, zatímco vysokofrekvenční aktivita – podobná té, která se vyskytuje během bdělosti – je spojena s excitačním chováním, může být ostřejší pokles známkou toho, že mnoho aktivit v mozku, včetně těch, které souvisejí se svalovým pohybem, je během spánku REM utlumeno.
Nové měření kvantifikuje poměr mozkové aktivity na různých frekvencích – kolik aktivity je na frekvencích od přibližně 1 cyklu za sekundu do 50 cyklů za sekundu – a určuje sklon, tj. jak rychle spektrum klesá. Tento 1/f „pokles“ je v REM spánku ostřejší než v bdělém stavu nebo při anestezii.
Lendner zjistil tuto charakteristickou míru u noční mozkové aktivity 20 lidí zaznamenané pomocí EEG elektrod na hlavě ve Walkerově spánkové laboratoři na Kalifornské univerzitě v Berkeley a u 10 lidí, kterým byly do mozku umístěny elektrody za účelem pátrání po příčinách epilepsie jako nezbytný prolog k operaci mozku, která má zmírnit záchvaty.
Zaznamenávala také mozkovou aktivitu u 12 pacientů s epilepsií a 9 dalších pacientů, kteří podstoupili operaci páteře s běžným celkovým anestetikem Propofolem.
Lendnerová nyní přezkoumává záznamy mozku pacientů v kómatu, aby zjistila, jak se jejich mozková aktivita mění v průběhu dne a zda lze pokles 1/f použít k určení pravděpodobnosti probuzení z kómatu.
„Co je důležitější, myslím, že je to další metrika pro hodnocení stavů kómatu,“ řekl Knight. „1/f je velmi citlivá. Mohl by například vyřešit, zda byl někdo ve stavu minimálního vědomí a nehýbe se, a zda je bdělejší, než si myslíte.“
Ref: Lendner, J. D., Helfrich, R. F., Mander, B. A., Romundstad, L., Lin, J. J., Walker, M. P., Larsson, P. G., & Knight, R. T. (2020). Elektrofyziologický marker úrovně vzrušení u lidí. ELife, 9, e55092. https://doi.org/10.7554/eLife.55092