Odkrycie wskazuje na szeroki potencjał poprawy funkcjonowania mózgu
Chociaż powszechnie uznaje się, że sen poprawia wydajność poznawczą, mechanizmy neuronowe leżące u podstaw tego efektu – szczególnie te związane ze snem bez szybkich ruchów gałek ocznych (NREM) – nadal nie są dobrze poznane.
Nowe badanie przeprowadzone przez zespół naukowców z Rice University i Houston Methodist’s Center for Neural Systems Restoration oraz Weill Cornell Medical College, koordynowane przez Valentina Dragoi z Rice, odkryło jednak kluczowy mechanizm, dzięki któremu sen poprawia wydajność neuronów i zachowania, potencjalnie zmieniając nasze podstawowe zrozumienie, w jaki sposób sen zwiększa siłę mózgu.
Badania opublikowane w Naukaujawnia, jak sen NREM – ten lżejszy, którego doświadczamy na przykład podczas drzemki – sprzyja synchronizacji mózgu i usprawnia kodowanie informacji, rzucając nowe światło na tę fazę snu. Naukowcy powtórzyli te efekty poprzez inwazyjną stymulację, co sugeruje obiecujące możliwości przyszłych terapii neuromodulacyjnych u ludzi. Konsekwencje tego odkrycia potencjalnie torują drogę innowacyjnym metodom leczenia zaburzeń snu, a nawet metodom poprawiającym wydajność poznawczą i behawioralną.
Badanie obejmowało zbadanie aktywności nerwowej w wielu obszarach mózgu makaków, podczas gdy zwierzęta wykonywały zadanie rozróżniania wzrokowego przed i po 30-minutowym okresie snu NREM. Korzystając z układów wieloelektrodowych, naukowcy zarejestrowali aktywność tysięcy neuronów w trzech obszarach mózgu: pierwotnej i środkowej korze wzrokowej oraz grzbietowo-bocznej korze przedczołowej, które są powiązane z przetwarzaniem wzrokowym i funkcjami wykonawczymi. Aby potwierdzić, że makaki zapadły w sen NREM, badacze wykorzystali polisomnografię do monitorowania aktywności ich mózgu i mięśni, a także analizę wideo, aby upewnić się, że ich oczy są zamknięte, a ciało zrelaksowane.
Odkrycia wykazały, że sen poprawił wydajność zwierząt w zadaniach wzrokowych dokładność w rozróżnianiu obróconych obrazów. Co ważne, poprawa ta dotyczyła wyłącznie tych, którzy rzeczywiście zasnęli – makaki, które doświadczyły cichego przebudzenia bez zasypiania, nie wykazywały takiego samego wzrostu wydajności.
Synchronizacja i desynchronizacja mózgu podczas snu
„Podczas snu zaobserwowaliśmy wzrost aktywności fal delta o niskiej częstotliwości i zsynchronizowane wyzwalanie neuronów w różnych obszarach kory mózgowej” – powiedziała pierwsza autorka, dr Natasha Kharas, była badaczka w laboratorium Dragoi, a obecnie rezydentka chirurgii neurologicznej w Weill Cornell. „Jednak po śnie aktywność neuronów stała się bardziej zdesynchronizowana w porównaniu do stanu przed snem, co pozwoliło neuronom na bardziej niezależną pracę. Ta zmiana doprowadziła do poprawy dokładności przetwarzania informacji i wydajności w zadaniach wizualnych”.
Naukowcy symulowali także neuronalne skutki snu poprzez elektryczną stymulację kory wzrokowej o niskiej częstotliwości. Zastosowali stymulację o częstotliwości 4 Hz, aby naśladować częstotliwość delta obserwowaną podczas snu NREM, gdy zwierzęta nie spały. Ta sztuczna stymulacja odtwarzała efekt desynchronizacji obserwowany po śnie i w podobny sposób poprawiała wykonywanie zadań przez zwierzęta, co sugeruje, że określone wzorce stymulacji elektrycznej można potencjalnie wykorzystać do naśladowania korzyści poznawczych płynących ze snu.
„To odkrycie jest znaczące, ponieważ sugeruje, że niektóre regenerujące i poprawiające wydajność efekty snu można osiągnąć bez potrzeby faktycznego snu” – powiedział Dragoi, współautor badania, profesor inżynierii elektrycznej i komputerowej w Rice, Rosemary oraz Daniel J. Harrison III, wybitny przewodniczący katedry neuroprotetyki w Houston Methodist i profesor neurologii w Weill Cornell. „Zdolność do odtworzenia przypominającej sen desynchronizacji neuronów w stanie czuwania otwiera nowe możliwości poprawy wydajności poznawczej i percepcyjnej w sytuacjach, w których sen jest niemożliwy – na przykład u osób z zaburzeniami snu lub w okolicznościach łagodzących, takich jak eksploracja kosmosu”.
Mechanizmy leżące u podstaw korzyści poznawczych snu
Naukowcy dokładniej zbadali swoje odkrycia, budując duży model sieci neuronowej. Odkryli, że podczas snu zarówno połączenia pobudzające, jak i hamujące w mózgu stają się słabsze, ale dzieje się to asymetrycznie, przez co połączenia hamujące są słabsze niż połączenia pobudzające, co powoduje wzrost pobudzenia.
„Odkryliśmy zaskakujące rozwiązanie stosowane przez mózg po śnie, w ramach którego populacje neuronowe uczestniczące w zadaniu zmniejszają swój poziom synchronizacji po śnie, pomimo otrzymywania sygnałów synchronizujących podczas samego snu” – powiedział Dragoi.
Pomysł, że sen NREM skutecznie „wzmacnia” mózg w ten sposób i że to resetowanie można sztucznie naśladować, stwarza potencjał do opracowania terapeutycznych technik stymulacji mózgu w celu poprawy funkcji poznawczych i pamięci.
„Nasze badanie nie tylko pogłębia nasze mechanistyczne zrozumienie roli snu w funkcjach poznawczych, ale także otwiera nowe możliwości, pokazując, że określone wzorce stymulacji mózgu mogą zastąpić niektóre korzyści płynące ze snu, wskazując przyszłość, w której moglibyśmy poprawić funkcjonowanie mózgu niezależnie od samego snu – powiedział Dragoi.
Odniesienie: „Sen NREM poprawia wydajność behawioralną poprzez desynchronizację obwodów korowych”, Natasha Kharas, Mircea I. Chelaru, Sarah Eagleman, Arun Parajuli i Valentin Dragoi, 21 listopada 2024 r., Nauka.
DOI: 10.1126/science.adr3339
Badania te były wspierane przez granty National Eye Institute 5R01EY026156 (VD) i 5F31EY029993 (NK).
