Când visăm, creierul nostru este plin de o activitate electrică zgomotoasă care arată aproape identic cu cea a creierului treaz.
Dar cercetătorii de la Universitatea din California, Berkeley, au scos din zgomot un semnal care definește în mod unic visul sau somnul REM, ceea ce ar putea facilita monitorizarea persoanelor cu tulburări de somn, precum și a pacienților inconștienți în comă sau a celor aflați sub anestezie.
În fiecare an, sute de mii de oameni sunt supuși unor studii peste noapte pentru a diagnostica probleme cu somnul lor, cei mai mulți dintre ei fiind conectați la o electroencefalogramă (EEG) pentru a monitoriza activitatea cerebrală pe măsură ce trec de la starea de veghe la somnul adânc, cu unde lente și apoi la somnul REM. Dar EEG-urile singure nu pot spune dacă un pacient este treaz sau visează: Medicii pot distinge somnul REM doar prin înregistrarea mișcărilor rapide ale ochilor – de unde și numele – și a tonusului muscular, deoarece corpul nostru se relaxează într-o paralizie generală pentru a ne împiedica să ne punem în scenă visele.
„Acum chiar avem o măsurătoare care îți spune cu precizie când ești în somn REM. Este o metrică universală de a fi inconștient”, a declarat Robert Knight, profesor de psihologie și neuroștiință la UC Berkeley și autor principal al unui articol care descrie cercetarea și care a fost publicat la 28 iulie în revista online eLife.
„Aceste noi descoperiri arată că, îngropat în statica electrică a creierului uman, există ceva cu totul unic – o semnătură simplă”, a declarat co-autorul și cercetătorul în domeniul somnului Matthew Walker, profesor de psihologie și neuroștiință la UC Berkeley. „Și dacă măsurăm această semnătură electrică simplă, pentru prima dată, putem determina cu exactitate ce stare de conștiență experimentează cineva – visând, complet treaz, anesteziat sau în somn profund.”
Capacitatea de a distinge somnul REM cu ajutorul unui EEG va permite medicilor să monitorizeze persoanele sub anestezie în timpul unei intervenții chirurgicale pentru a explora modul în care inconștiența indusă de narcotice diferă de somnul normal – o întrebare încă nerezolvată. Acesta este principalul motiv pentru care primul autor, Janna Lendner, medic rezident în anesteziologie, a inițiat studiul.
„Adesea le spunem pacienților noștri că „Acum veți adormi” și am fost curioasă cât de mult se suprapun de fapt aceste două stări”, a declarat Lendner, o bursieră postdoctorală de la UC Berkeley în al patrulea an de rezidențiat în anesteziologie la Centrul Medical Universitar din Tübingen, Germania. „Anestezia poate avea unele efecte secundare. Dacă învățăm puțin despre modul în care se suprapun – poate că anestezia deturnează unele căi ale somnului – am putea fi capabili să îmbunătățim anestezia pe termen lung.”
Somnul liniștește creierul
Somnul, așa cum a scris Walker în cartea sa din 2017, „Why we Sleep”, „îmbogățește o diversitate de funcții, inclusiv capacitatea noastră de a învăța, de a memora și de a lua decizii și alegeri logice. Servind în mod benefic sănătății noastre psihologice, somnul ne recalibrează circuitele emoționale ale creierului, permițându-ne să navigăm prin provocările sociale și psihologice de a doua zi cu calm.”
Somnul întrerupt interferează cu toate acestea, crescând riscul de boli medicale, psihiatrice și neurologice.
Cele mai multe cercetări privind somnul se concentrează asupra undelor sincronizate, ritmice, care circulă prin rețeaua neuronală a creierului, de la undele lente care semnalează somnul profund, de obicei în primele câteva ore ale nopții, până la undele de frecvență mai mare tipice somnului de vis. Aceste unde apar peste o mulțime de activitate generală, numită și 1/f, care de obicei a fost respinsă ca zgomot și ignorată.
Dar Knight și laboratorul său au analizat acest „zgomot” timp de un deceniu și au descoperit că el conține informații utile despre starea creierului. În 2015, de exemplu, el și Bradley Voytek, un fost doctorand care acum face parte din facultatea de la UC San Diego, au descoperit că volumul de activitate de înaltă frecvență crește odată cu vârsta. Lendner a descoperit acum că o scădere mai rapidă a activității de înaltă frecvență, în raport cu activitatea de joasă frecvență, este o semnătură unică a somnului REM.
„Există această activitate de fond, care nu este ritmică, și am trecut cu vederea acest lucru pentru o perioadă destul de lungă de timp”, a spus Lendner. „Uneori, a fost numită zgomot, dar nu este zgomot, ci poartă o mulțime de informații, de asemenea, despre nivelul de excitație subiacent. Această măsură face posibilă diferențierea somnului REM de starea de veghe doar uitându-ne la EEG.”
Din moment ce undele lente sunt asociate cu inhibarea activității din creier, în timp ce activitatea de înaltă frecvență – precum cea găsită în timpul stării de veghe – este asociată cu un comportament excitator, scăderea mai accentuată poate fi un indiciu că multe activități din creier, inclusiv cele legate de mișcarea musculară, sunt înăbușite în timpul somnului REM.
Noua măsură cuantifică relația dintre activitatea creierului la diferite frecvențe – câtă activitate există la frecvențe de la aproximativ 1 ciclu pe secundă până la 50 de cicluri pe secundă – și determină panta, adică cât de repede scade spectrul. Această „cădere” de 1/f este mai accentuată în somnul REM decât în stare de veghe sau atunci când se află sub anestezie.
Lendner a găsit această măsură caracteristică în activitatea cerebrală nocturnă a 20 de persoane înregistrate prin electrozi EEG la nivelul scalpului în laboratorul de somn al lui Walker de la UC Berkeley și la 10 persoane cărora li s-au plasat electrozi în creier pentru a căuta cauzele epilepsiei, ca un prolog necesar unei operații pe creier pentru a atenua crizele.
De asemenea, ea a înregistrat activitatea cerebrală la 12 pacienți cu epilepsie și la alți 9 pacienți supuși unei intervenții chirurgicale la nivelul coloanei vertebrale cu anestezicul general comun Propofol.
Lendner analizează acum înregistrările cerebrale de la pacienții aflați în comă pentru a vedea cum variază activitatea lor cerebrală pe parcursul unei zile și dacă scăderea de 1/f poate fi folosită pentru a indica probabilitatea ieșirii din comă.
„Mai important, cred că este o altă măsură pentru evaluarea stărilor de comă”, a spus Knight. „1/f este foarte sensibil. Ar putea rezolva, de exemplu, dacă cineva a fost într-o stare de conștiință minimă și nu se mișcă, și dacă este mai alert decât credeți că este.”
Referință: Lendner, J. D., Helfrich, R. F., Mander, B. A., Romundstad, L., Lin, J. J., Walker, M. P., Larsson, P. G., & Knight, R. T. (2020). Un marker electrofiziologic al nivelului de excitare la om. ELife, 9, e55092. https://doi.org/10.7554/eLife.55092