Gdy śnimy, nasze mózgi wypełnione są hałaśliwą aktywnością elektryczną, która wygląda niemal identycznie jak w mózgu na jawie.
Ale naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley wyciągnęli z szumu sygnał, który w unikalny sposób definiuje sen, czyli sen REM, potencjalnie ułatwiając monitorowanie osób z zaburzeniami snu, a także nieprzytomnych pacjentów w śpiączce lub tych pod narkozą.
Co roku setki tysięcy ludzi przechodzi nocne badania w celu zdiagnozowania problemów z ich snem, większość z nich jest podłączona do elektroencefalogramu (EEG), aby monitorować aktywność mózgu, gdy przechodzą od stanu czuwania do głębokiego, wolnofalowego snu i dalej do snu REM. Jednak samo EEG nie pozwala stwierdzić, czy pacjent nie śpi, czy też śni: Lekarze mogą odróżnić sen REM tylko poprzez rejestrowanie szybkich ruchów gałek ocznych – stąd nazwa – i napięcia mięśni, ponieważ nasze ciała rozluźniają się w ogólnym paraliżu, aby zapobiec odgrywaniu naszych snów.
„Naprawdę mamy teraz metrykę, która dokładnie mówi, kiedy jesteś we śnie REM. Jest to uniwersalna metryka bycia nieświadomym”, powiedział Robert Knight, profesor psychologii i neuronauki UC Berkeley oraz starszy autor pracy opisującej badania, która została opublikowana 28 lipca w internetowym czasopiśmie eLife.
„Te nowe odkrycia pokazują, że w elektrycznym statycznym stanie ludzkiego mózgu jest coś zupełnie wyjątkowego – prosta sygnatura”, powiedział współautor i badacz snu Matthew Walker, profesor psychologii i neuronauki UC Berkeley. „A jeśli zmierzymy tę prostą sygnaturę elektryczną, po raz pierwszy będziemy mogli dokładnie określić, jakiego stanu świadomości doświadcza dana osoba – snu, czuwania, znieczulenia czy głębokiego snu.”
Możliwość rozróżnienia snu REM za pomocą EEG pozwoli lekarzom monitorować ludzi pod narkozą podczas operacji, aby zbadać, w jaki sposób nieświadomość wywołana narkotykami różni się od normalnego snu – to wciąż nierozstrzygnięte pytanie. To główny powód, dla którego pierwsza autorka, Janna Lendner, rezydentka anestezjologii, zainicjowała badania.
„Często mówimy naszym pacjentom, że 'Teraz pójdziecie spać’ i byłam ciekawa, jak bardzo te dwa stany faktycznie się pokrywają”, powiedziała Lendner, doktorantka UC Berkeley na czwartym roku rezydentury w anestezjologii w Uniwersyteckim Centrum Medycznym w Tybindze, Niemcy. „Znieczulenie może mieć pewne skutki uboczne. Jeśli dowiemy się trochę o tym, jak się one nakładają — być może znieczulenie porywa niektóre ścieżki snu — być może będziemy w stanie poprawić znieczulenie na dłuższą metę.”
Sen koi mózg
Sen, jak napisał Walker w swojej książce z 2017 roku „Why we Sleep”, „wzbogaca różnorodność funkcji, w tym naszą zdolność do uczenia się, zapamiętywania oraz podejmowania logicznych decyzji i wyborów. Dobroczynnie służąc naszemu zdrowiu psychicznemu, sen rekalibruje nasze emocjonalne obwody mózgowe, pozwalając nam nawigować następnego dnia wyzwaniami społecznymi i psychologicznymi z chłodnym opanowaniem.”
Zakłócony sen zakłóca to wszystko, zwiększając ryzyko chorób medycznych, psychiatrycznych i neurologicznych.
Większość badań nad snem skupia się na zsynchronizowanych, rytmicznych falach, które przepływają przez sieć neuronową mózgu, od powolnych fal, które sygnalizują głęboki sen, zwykle w pierwszych kilku godzinach nocy, do fal o wyższej częstotliwości typowych dla snu sennego. Fale te wyskakują ponad dużą ilością ogólnej aktywności, zwanej również 1/f, która zazwyczaj była odrzucana jako szum i ignorowana.
Ale Knight i jego laboratorium przyglądali się temu „szumowi” przez dekadę i odkryli, że zawiera on przydatne informacje o stanie mózgu. W 2015 roku, na przykład, on i Bradley Voytek, były doktorant obecnie na wydziale w UC San Diego, odkryli, że ilość aktywności o wysokiej częstotliwości wzrasta z wiekiem. Lendner odkrył teraz, że szybszy spadek aktywności o wysokiej częstotliwości, w stosunku do aktywności o niskiej częstotliwości, jest unikalnym podpisem snu REM.
„Istnieje ta aktywność tła, która nie jest rytmiczna, a my przeoczyliśmy to przez dość długi czas”, powiedział Lendner. „Czasami nazywano ją szumem, ale to nie jest szum; niesie ona ze sobą wiele informacji, także o poziomie pobudzenia. Ta miara umożliwia odróżnienie snu REM od czuwania, patrząc tylko na EEG.”
Ponieważ fale wolne są związane z hamowaniem aktywności w mózgu, podczas gdy aktywność o wysokiej częstotliwości — jak ta występująca podczas czuwania — jest związana z zachowaniem pobudzającym, ostrzejszy spadek może wskazywać, że wiele aktywności w mózgu, w tym te związane z ruchem mięśni, są tłumione podczas snu REM.
Nowy środek kwantyfikuje związek aktywności mózgu przy różnych częstotliwościach – ile aktywności jest przy częstotliwościach od około 1 cyklu na sekundę do 50 cykli na sekundę – i określa nachylenie, to jest, jak szybko widmo spada. Ten 1/f „drop-off” jest ostrzejszy we śnie REM niż w stanie czuwania lub pod znieczuleniem.
Lendner znalazł tę charakterystyczną miarę w nocnej aktywności mózgu 20 osób nagranych przez elektrody EEG skóry głowy w laboratorium snu Walkera w UC Berkeley i u 10 osób, które miały elektrody umieszczone w ich mózgach w celu poszukiwania przyczyn padaczki jako niezbędny prolog do operacji mózgu w celu złagodzenia napadów.
Zarejestrowała również aktywność mózgu u 12 pacjentów z padaczką i 9 innych pacjentów poddawanych operacjom kręgosłupa przy użyciu powszechnego znieczulenia ogólnego Propofol.
Lendner przegląda teraz nagrania mózgu pacjentów w śpiączce, aby zobaczyć, jak ich aktywność mózgu zmienia się w ciągu dnia i czy spadek 1/f może być użyty do wskazania prawdopodobieństwa wyłonienia się ze śpiączki.
„Co ważniejsze, myślę, że jest to kolejna metryka do oceny stanów śpiączki”, powiedział Knight. „1/f jest bardzo wrażliwy. Może rozstrzygnąć, na przykład, jeśli ktoś był w minimalnie świadomym stanie, a oni nie poruszają się, i czy są bardziej czujni niż myślisz, że są.”
Referencja: Lendner, J. D., Helfrich, R. F., Mander, B. A., Romundstad, L., Lin, J. J., Walker, M. P., Larsson, P. G., & Knight, R. T. (2020). Elektrofizjologiczny marker poziomu pobudzenia u ludzi. ELife, 9, e55092. https://doi.org/10.7554/eLife.55092