Wanneer we dromen, zijn onze hersenen gevuld met lawaaierige elektrische activiteit die er bijna identiek uitziet als die van de wakkere hersenen.
Maar onderzoekers van de University of California, Berkeley, hebben een signaal uit de ruis gehaald dat droomt, of REM-slaap, op een unieke manier definieert, waardoor het mogelijk gemakkelijker wordt om mensen met slaapstoornissen te monitoren, evenals bewusteloze comapatiënten of mensen die onder narcose zijn.
Elk jaar ondergaan honderdduizenden mensen nachtelijke onderzoeken om problemen met hun slaap vast te stellen, de meesten van hen aangesloten op een elektro-encefalogram (EEG) om de hersenactiviteit te volgen terwijl ze van waakzaamheid naar diepe, trage slaap en verder naar REM-slaap gaan. Maar EEG’s alleen kunnen niet zeggen of een patiënt wakker is of droomt: Artsen kunnen REM-slaap alleen onderscheiden door het registreren van snelle oogbewegingen – vandaar de naam – en spierspanning, omdat ons lichaam zich ontspant in een algemene verlamming om te voorkomen dat we onze dromen uitvoeren.
“We hebben nu echt een metriek die je precies vertelt wanneer je in de REM-slaap bent. Het is een universele metriek van onbewust zijn,” zei Robert Knight, UC Berkeley hoogleraar psychologie en neurowetenschappen en senior auteur van een paper dat het onderzoek beschrijft en dat 28 juli werd gepubliceerd in het online tijdschrift eLife.
“Deze nieuwe bevindingen tonen aan dat, begraven in de elektrische statica van het menselijk brein, er iets volstrekt unieks is — een eenvoudige handtekening,” zei co-auteur en slaaponderzoeker Matthew Walker, UC Berkeley hoogleraar psychologie en neurowetenschappen. “En als we die eenvoudige elektrische handtekening meten, kunnen we voor het eerst precies bepalen welke staat van bewustzijn iemand ervaart — dromend, klaarwakker, verdoofd of in diepe slaap.”
De mogelijkheid om REM-slaap te onderscheiden door middel van een EEG zal artsen in staat stellen om mensen onder narcose te monitoren tijdens een operatie om te onderzoeken hoe narcotische geïnduceerde bewusteloosheid verschilt van normale slaap — een nog onopgeloste vraag. Dat is de belangrijkste reden waarom eerste auteur Janna Lendner, een arts-assistent in anesthesiologie, de studie startte.
“We vertellen onze patiënten vaak dat, ‘U gaat nu slapen,’ en ik was nieuwsgierig hoeveel deze twee toestanden eigenlijk overlappen,” zei Lendner, een postdoctorale fellow van UC Berkeley in haar vierde jaar van haar stage in anesthesiologie aan het Universitair Medisch Centrum in Tübingen, Duitsland. “Anesthesie kan bijwerkingen hebben. Als we een beetje leren over hoe ze elkaar overlappen — misschien kaapt anesthesie sommige slaappaden — kunnen we de anesthesie op de lange termijn misschien verbeteren.”
Slaap kalmeert de hersenen
Slaap, zoals Walker schreef in zijn boek uit 2017, “Why we Sleep,” “verrijkt een diversiteit aan functies, waaronder ons vermogen om te leren, te onthouden, en logische beslissingen en keuzes te maken. Benevolent dienend aan onze psychologische gezondheid, herkalibreert slaap onze emotionele hersencircuits, waardoor we de volgende dag sociale en psychologische uitdagingen met koelbloedige kalmte kunnen navigeren.”
Ongestoorde slaap interfereert met dit alles, waardoor het risico op medische, psychiatrische en neurologische ziekten toeneemt.
Het meeste slaaponderzoek richt zich op de gesynchroniseerde, ritmische golven die door het neurale netwerk van de hersenen stromen, van de langzame golven die diepe slaap signaleren, meestal in de eerste paar uur van de nacht, tot de hogere frequentiegolven die typisch zijn voor droomslaap. Deze golven steken uit boven een heleboel algemene activiteit, ook wel de 1/f genoemd, die typisch is afgedaan als ruis en genegeerd.
Maar Knight en zijn lab kijken al een decennium naar deze “ruis” en ontdekten dat het nuttige informatie bevat over de toestand van de hersenen. In 2015 ontdekten hij en Bradley Voytek, een voormalig promovendus die nu aan de faculteit van UC San Diego werkt, bijvoorbeeld dat de hoeveelheid hoogfrequente activiteit toeneemt met de leeftijd. Lendner heeft nu ontdekt dat een snellere daling van hoogfrequente activiteit, ten opzichte van laagfrequente activiteit, een unieke signatuur is van REM-slaap.
“Er is deze achtergrondactiviteit, die niet ritmisch is, en dat hebben we vrij lang over het hoofd gezien,” zei Lendner. “Soms werd het ruis genoemd, maar het is geen ruis; het draagt veel informatie in zich, ook over het onderliggende arousal-niveau. Deze meting maakt het mogelijk om REM-slaap te onderscheiden van waakzaamheid door alleen naar het EEG te kijken.”
Omdat langzame golven worden geassocieerd met remming van de activiteit in de hersenen, terwijl hoogfrequente activiteit – zoals die wordt gevonden tijdens waakzaamheid – wordt geassocieerd met opwindend gedrag, kan de scherpere daling een indicatie zijn dat veel activiteiten in de hersenen, waaronder die met betrekking tot spierbeweging, worden gedempt tijdens de REM-slaap.
De nieuwe meting kwantificeert de verhouding van hersenactiviteit bij verschillende frequenties – hoeveel activiteit er is bij frequenties van ongeveer 1 cyclus per seconde tot 50 cycli per seconde – en bepaalt de helling, dat wil zeggen, hoe snel het spectrum daalt. Deze 1/f “drop-off” is scherper in de REM-slaap dan in wakkere toestand of wanneer men onder narcose is.
Lendner vond deze karakteristieke maat in de nachtelijke hersenactiviteit van 20 mensen opgenomen via EEG hoofdhuidelektroden in Walker’s UC Berkeley slaaplaboratorium en bij 10 mensen die elektroden in hun hersenen hadden laten plaatsen om te zoeken naar de oorzaken van epilepsie als een noodzakelijke proloog voor hersenoperaties om aanvallen te verlichten.
Ze nam ook hersenactiviteit op bij 12 epilepsiepatiënten en 9 andere patiënten die een spinale operatie ondergingen met het gewone algemene verdovingsmiddel Propofol.
Lendner bekijkt nu hersenopnamen van comapatiënten om te zien hoe hun hersenactiviteit varieert in de loop van een dag en of de 1/f-drop-off kan worden gebruikt om de waarschijnlijkheid van het uit coma komen aan te geven.
“Belangrijker nog, ik denk dat het een andere metriek is voor het evalueren van staten van coma,” zei Knight. “1/f is zeer gevoelig. Het zou bijvoorbeeld kunnen uitmaken of iemand in een minimaal bewuste toestand was, en ze bewegen niet, en of ze alerter zijn dan je denkt dat ze zijn.”
Referentie: Lendner, J. D., Helfrich, R. F., Mander, B. A., Romundstad, L., Lin, J. J., Walker, M. P., Larsson, P. G., & Knight, R. T. (2020). Een elektrofysiologische marker van arousal niveau bij de mens. ELife, 9, e55092. https://doi.org/10.7554/eLife.55092