Niektóre obszary mózgu mogą robić sobie krótkie drzemki, gdy reszta pozostaje aktywna

Nowe badania na myszach sugerują, że istnieją wzorce aktywności mózgu związane ze snem, które przeoczyliśmy i które odzwierciedlają stan poszczególnych obszarów mózgu, a nie jego całą aktywność. Mierząc te lokalne sygnały za pomocą elektrod, naukowcy odkryli, że niektóre rejony mózgu ssaków mogą zapadać na krótkie drzemki, podczas gdy inne obszary pozostają w pełni rozbudzone i aktywne. Wyniki oraz opis badań ukazał się na łamach pisma "Nature Neuroscience".

Sen i czuwanie to dwa podstawowe stany fizjologiczne, które występują cyklicznie. Około 1/3 doby przypada na sen, reszta to przebywanie na jawie. Te dwa całkowicie odrębne stany definiują granice naszego codziennego życia. Przez lata naukowcy mierzyli różnicę między tymi procesami rejestrując i analizując fale mózgowe. Podczas czuwania występują fale alfa i beta. W trakcie snu znikają szybsze fale alfa i beta i pojawiają się wolniejsze - theta i delta.

W nowych badaniach naukowcy odkryli, że sen można wykryć na podstawie wzorców aktywności neuronalnej trwających zaledwie milisekundy, czyli 1000 razy krócej niż sekunda, ujawniając nowy sposób badania i zrozumienia podstawowych wzorców fal mózgowych. Wykazali również, że niektóre obszary mózgu mogą chwilowo wykazywać wzorce snu podczas czuwania i odwrotnie.

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

Odkrycia te były możliwe dzięki sztucznej inteligencji. Badacze ponad cztery lata trenowali sieć neuronową, by ta nauczyła się analizować wzorce fal mózgowych. W swoich eksperymentach wyposażyli myszy w małe i lekkie zestawy rejestrujące aktywność mózgu z 10 różnych obszarów. Przez miesiąc śledzili fale mózgowe z małych grup neuronów z dokładnością mikrosekundową. Wygenerowali przy tym kilka petabajtów danych.

Zespół naukowców "nakarmił" tą ogromna ilością danych sieć neuronową, która z czasem nauczyła się znajdować wysoce złożone wzorce dotyczące snu i czuwania, których człowiek nie miałby szans dostrzec. Dzięki temu uczeni odkryli wzorce występujące przy wysokich częstotliwościach, które nigdy wcześniej nie zostały opisane.

Badacze wprowadzając małe fragmenty danych do sieci neuronowej pytali, czy mózg śpi, czy jest aktywny. Ich sieć neuronowa nauczyła się odróżniać sen od czuwania na podstawie zaledwie milisekund danych dotyczących aktywności mózgu. Było to zaskoczenie dla zespołu badawczego — pokazało, że model nie mógł polegać na wolnych falach, aby nauczyć się różnicy między snem a czuwaniem. Tak jak słuchanie piosenki przez zaledwie tysięczną część sekundy nie może powiedzieć nam, czy ma ona wolny rytm, czy nie.

- Widzimy informacje na niespotykanym dotąd poziomie szczegółowości - powiedział David Haussler z University of California w Santa Cruz. - Początkowo sądziliśmy, że nic tam nie znajdziemy, że wszystkie istotne informacje znajdują się w wolniejszych falach. Ale okazuje się, że jeśli zignorujesz konwencjonalne pomiary i spojrzysz tylko na szczegóły pomiaru wysokiej częstotliwości w ciągu zaledwie tysięcznej części sekundy, jest tam wystarczająco dużo, aby stwierdzić, czy mózg śpi, czy nie. To mówi nam, że dzieje się tam coś na bardzo szybką skalę. To nowa wskazówka, co może dziać się podczas snu – dodał.

Sztuczna sieć neuronowa jest zasadniczo czarną skrzynką i nie raportuje tego, czego się uczy. Uczeni zaczęli usuwać z danych warstwy informacji czasowych i przestrzennych, aby spróbować zrozumieć, jakich wzorców model się uczy. W końcu doszli do punktu, w którym patrzyli na fragmenty danych trwające zaledwie milisekundę i zarejestrowanych przy najwyższych częstotliwościach.

- Usunęliśmy wszystkie informacje, których neuronauka używała do zrozumienia, zdefiniowania i analizy snu przez ostatnie stulecie i zadaliśmy sobie pytanie: "Czy model nadal może się uczyć w tych warunkach? To pozwoliło nam przyjrzeć się sygnałom, których wcześniej nie rozumieliśmy - powiedział David Parks z University of California w Santa Cruz.

Badacze w końcu ustalili, że te szybkie wzorce aktywności między zaledwie kilkoma neuronami były podstawowym elementem snu, który wykrywał model. Co ważne, takich wzorców nie można wyjaśnić tradycyjnymi, wolnymi falami. Naukowcy wysunęli hipotezę, że wolniejsze fale mogą działać w celu koordynacji szybkich, lokalnych wzorców aktywności, ale ostatecznie doszli do wniosku, że szybkie wzorce są znacznie bliższe prawdziwej istocie snu.

Jeśli wolniejsze fale tradycyjnie używane do definiowania snu zostaną porównane do tysięcy ludzi na stadionie wykonujących "meksykańską falę", to te szybko poruszające się wzorce są rozmowami między zaledwie kilkoma osobami decydującymi się na udział w fali. Te rozmowy są niezbędne do jej zaistnienia, są bardziej bezpośrednio związane z nastrojem stadionu.

W trakcie dalszych badań lokalnych wzorców aktywności naukowcy dostrzegli kolejne zaskakujące zjawisko. Podczas obserwacji modelu przewidującego sen lub czuwanie zauważyli to, co na pierwszy rzut oka wyglądało na błędy, w których przez ułamek sekundy model wykrywał czuwanie w jednym obszarze mózgu, podczas gdy reszta mózgu pozostawała w stanie uśpienia. To samo zaobserwowali w stanach czuwania: przez ułamek sekundy jeden obszar mózgu zasypiał, podczas gdy reszta obszarów była w stanie czuwania. Uczeni nazwali to "migotaniem".

- Możemy przyjrzeć się poszczególnym punktom czasowym, w których te neurony się aktywowały, i jest całkiem jasne, że przechodzą one w inny stan — powiedział Aidan Schneider z Washington University w St. Louis. - W niektórych przypadkach te "migotania" mogą być ograniczone do obszaru tylko jednego regionu mózgu – dodał.

To skłoniło naukowców do zbadania, co "migotania" mogą oznaczać dla funkcji snu i jak wpływają na zachowanie podczas snu i czuwania. - Mała część mózgu zapada w sen, gdy jesteś obudzony, czy to oznacza, że ​​twoje zachowanie nagle wygląda, jakbyś spał? Zaczęliśmy zauważać, że często tak jest — przyznał Schneider.

Obserwując zachowanie myszy, naukowcy zauważyli, że gdy jakiś region mózgu idzie na drzemkę, podczas gdy reszta mózgu jest obudzona, mysz zatrzymuje się na chwilkę, jakby się "zawiesiła". Z kolei odwrotna sytuacja, czyli pobudka jednego obszaru mózgu, gdy cała reszta śpi, objawiało się u myszy drżeniem ciała w trakcie snu.

Zdobycie głębszego zrozumienia wzorców snu i "migotania" może pomóc naukowcom lepiej badać choroby neurorozwojowe i neurodegeneracyjne, które są związane z deregulacją snu. Naukowcy chcą kontynuować swoje badania. Zamierzają też wykorzystać do tego organoidy mózgu - hodowane w laboratorium malutkie wersje różnych narządów, które zachowują kluczowe cechy anatomiczne pełnowymiarowych organów.

Źródło: University of California - Santa Cruz