Når vi drømmer, er vores hjerner fyldt med støjende elektrisk aktivitet, som er næsten identisk med den, vi har i vågen tilstand.
Men forskere fra University of California, Berkeley, har fundet et signal i støjen, som er unikt for drømmesøvn eller REM-søvn, hvilket kan gøre det lettere at overvåge personer med søvnforstyrrelser samt bevidstløse komapatienter og personer under bedøvelse.
Hvert år gennemgår hundredtusindvis af mennesker undersøgelser om natten for at diagnosticere problemer med deres søvn, og de fleste af dem er koblet til et elektroencefalogram (EEG) for at overvåge hjerneaktiviteten, mens de går fra vågen tilstand til dyb, langsom bølgesøvn og videre til REM-søvn. Men EEG’er alene kan ikke fortælle, om en patient er vågen eller drømmer: Læger kan kun skelne mellem REM-søvn ved at registrere hurtige øjenbevægelser – deraf navnet – og muskeltonus, da vores krop slapper af i en generel lammelse for at forhindre os i at udleve vores drømme.
“Vi har nu virkelig en måleenhed, der præcist fortæller dig, hvornår du befinder dig i REM-søvn. Det er en universel måleenhed for at være bevidstløs”, sagde Robert Knight, professor i psykologi og neurovidenskab på UC Berkeley og seniorforfatter til en artikel, der beskriver forskningen, og som blev offentliggjort den 28. juli i onlinetidsskriftet eLife.
“Disse nye resultater viser, at der i den elektriske statiske elektricitet i den menneskelige hjerne ligger noget helt unikt begravet – en simpel signatur”, sagde medforfatter og søvnforsker Matthew Walker, professor i psykologi og neurovidenskab på UC Berkeley, som er medforfatter. “Og hvis vi måler denne enkle elektriske signatur, kan vi for første gang præcist afgøre, hvilken bevidsthedstilstand en person oplever – drømmende, vågen, bedøvet eller i dyb søvn.”
Den evne til at skelne mellem REM-søvn ved hjælp af et EEG vil gøre det muligt for læger at overvåge folk i narkose under en operation for at undersøge, hvordan bedøvelsesinduceret bevidstløshed adskiller sig fra normal søvn – et spørgsmål, der stadig er uafklaret. Det er hovedårsagen til, at førsteforfatter Janna Lendner, der er læge i anæstesiologi, tog initiativ til undersøgelsen.
“Vi siger ofte til vores patienter, at “du vil falde i søvn nu”, og jeg var nysgerrig efter at vide, hvor meget disse to tilstande faktisk overlapper hinanden,” siger Lendner, der er postdoc på UC Berkeley og er i gang med sit fjerde år som læge i anæstesiologi på University Medical Center i Tübingen, Tyskland. “Anæstesi kan have nogle bivirkninger. Hvis vi lærer lidt om, hvordan de overlapper hinanden – måske kaprer anæstesien nogle søvnveje – kan vi måske forbedre anæstesien på lang sigt.”
Søvn beroliger hjernen
Søvn, som Walker skrev i sin bog fra 2017, “Why we Sleep”, “beriger en mangfoldighed af funktioner, herunder vores evne til at lære, huske og træffe logiske beslutninger og valg. Søvnen, der servicerer vores psykologiske sundhed på en velgørende måde, rekalibrerer vores følelsesmæssige hjernekredsløb, så vi kan navigere i næste dags sociale og psykologiske udfordringer med kølig ro.”
Søvnforstyrrelser forstyrrer alt dette og øger risikoen for medicinske, psykiatriske og neurologiske sygdomme.
Den meste søvnforskning fokuserer på de synkroniserede, rytmiske bølger, der strømmer gennem hjernens neurale netværk, fra de langsomme bølger, der signalerer dyb søvn, typisk i de første par timer af natten, til de bølger med højere frekvens, der er typiske for drømmesøvn. Disse bølger popper ud over en masse generel aktivitet, også kaldet 1/f, der typisk er blevet afvist som støj og ignoreret.
Men Knight og hans laboratorium har kigget på denne “støj” i et årti og fundet ud af, at den indeholder nyttige oplysninger om hjernens tilstand. I 2015 opdagede han og Bradley Voytek, en tidligere ph.d.-studerende, der nu er ansat på fakultetet på UC San Diego, for eksempel i 2015, at mængden af højfrekvent aktivitet stiger med alderen. Lendner har nu fundet ud af, at et hurtigere fald i højfrekvent aktivitet i forhold til lavfrekvent aktivitet er en unik signatur for REM-søvn.
“Der er denne baggrundsaktivitet, som ikke er rytmisk, og det har vi overset i ret lang tid,” siger Lendner. “Nogle gange er det blevet kaldt støj, men det er ikke støj; det bærer en masse information, også om det underliggende arousal-niveau. Denne foranstaltning gør det muligt at skelne REM-søvn fra vågen tilstand ved kun at se på EEG’et.”
Da langsomme bølger er forbundet med hæmning af aktivitet i hjernen, mens højfrekvent aktivitet – som den, der findes under vågen tilstand – er forbundet med ophidsende adfærd, kan det skarpere fald være et tegn på, at mange aktiviteter i hjernen, herunder dem, der er relateret til muskelbevægelser, bliver dæmpet under REM-søvnen.
Den nye måling kvantificerer forholdet mellem hjerneaktivitet ved forskellige frekvenser — hvor meget aktivitet der er ved frekvenser fra ca. 1 cyklus pr. sekund til 50 cyklusser pr. sekund — og bestemmer hældningen, dvs. hvor hurtigt spektret falder. Dette 1/f-“fald” er skarpere i REM-søvn end i vågen tilstand eller under bedøvelse.
Lendner fandt dette karakteristiske mål i hjerneaktiviteten om natten hos 20 personer, der blev optaget via EEG-halselektroder i Walkers søvnlaboratorium på UC Berkeley, og hos 10 personer, der fik placeret elektroder i hjernen for at søge efter årsagerne til epilepsi som en nødvendig prolog til hjerneoperationer for at afhjælpe anfald.
Hun registrerede også hjerneaktivitet hos 12 epilepsipatienter og 9 andre patienter, der gennemgik en rygmarvskirurgi med det almindelige bedøvelsesmiddel Propofol.
Lendner er nu ved at gennemgå hjerneoptagelser fra komapatienter for at se, hvordan deres hjerneaktivitet varierer i løbet af en dag, og om 1/f-drop-off kan bruges til at indikere sandsynligheden for at komme ud af koma.
“Hvad vigtigere er, tror jeg, at det er endnu et mål for evaluering af komatilstande,” sagde Knight. “1/f er meget følsomt. Det kan f.eks. afgøre, om en person var i en tilstand med minimal bevidsthed, og de bevæger sig ikke, og om de er mere vågne, end man tror, de er.”
Reference: Lendner, J. D., Helfrich, R. F., Mander, B. A., Romundstad, L., Lin, J. J., Walker, M. P., Larsson, P. G., & Knight, R. T. (2020). En elektrofysiologisk markør for arousalniveau hos mennesker. ELife, 9, e55092. https://doi.org/10.7554/eLife.55092