Това ново откритие размива границата между съня и будността

За първи път учените откриват, че малък участък от нашия мозък се изключва, за да подремне за микросекунди, докато сме будни. Нещо повече, същите тези зони „присветват“, дават сигнали, че са в будно състояние, докато спим. Тези нови открития биха могли да предложат основни прозрения за неврологичните и невродегенеративните заболявания, които са свързани с разстройство на съня.

Учени от Вашингтонския университет в Сейнт Луис (WashU) и Калифорнийския университет Санта Круз (UCSC) са направили тези открития случайно, забелязвайки как мозъчните вълни в една малка област на мозъка се изключват внезапно само за милисекунди, когато сме будни. И в същия този регион тези мозъчни вълни внезапно се активират за същото време, когато спим.

С новите мощни инструменти и изчислителни методи може да се поставят под съмнение най-основни предположения за човешкия мозък и да се преразгледа определението за будн или спящо състояние, коментира Кийт Хенген (Keith Hengen), асистент по биология в WashU. „Сънят или бодърстването е единственият най-голям определящ фактор за човешкото поведение и оттам всичко останало отпада. Така че, ако не разбираме какво всъщност са сън и бодърстване, изглежда, че сме изпусналиосносното."

Досега състоянията на сън и бодърстване се определяха от цялостните модели на мозъчните вълни – алфа, бета и тета вълни, когато сме будни, делта, когато не сме – така че тези аномалии се противопоставят на това, за което се знаеше досега за тези отделни състояния.

„Беше изненадващо за нас като учени да открием, че различни части от мозъка ни всъщност подремват малко, когато останалата част от мозъка е буден, въпреки че много хора може би вече са подозирали това в своите съпрузи“, шегува се Дейвид Хауслер (David Haussler), професор по биомолекулярно инженерство в UCSC.

В своето продължило 4 години проучване, което събира огромно количество електрофизиологични данни, учените записват напрежението на мозъчните вълни в 10 различни области на мозъка при мишки. В продължение на няколко месеца те проследяват активността от малки групи неврони до микросекунда. После това огромно количество данни са анализирани от изкуствена невронна мрежа, за да се уловят закономерности и да се изолират микросекундните аномалии, които изследванията върху хора не са пропуснали.

„Това е информация с ниво на детайлност, което е безпрецедентно“, коментира Хауслер. „Тази статия казва, че ако се пренебрегнат конвенционалните измервания и просто се погледнат детайлите на високочестотното измерване само за една хилядна от секундата, там има достатъчно, за да се разбере дали тъканта е заспала или не. Това ни казва, че има нещо, което се случва в много високоскоростен мащаб – това е нов намек за това какво може да се случва в съня.“

Чрез машинно обучение учените се насочват към милисекундни участъци от данни за мозъчната активност и откриват, че бързата активност между няколко неврона в един регион изглежда противоречи на досегашните представи, но е фундаментална за съня, който обикновено се представя от бавно движещи се делта вълни. И се наблюдава и обратната скорост на активност по време на периоди, класически определени като будност, които екипът нарича „присветване“.

По същество данните показват, че дори докато сме будни, в тази малка област на мозъка няколко неврона преминават в режим на сън, докато останалата част от органа продължава да работи нормално.

Художествената интерпретация на разнообразните модели на мозъчни вълни, които произвеждат основните състояния на сън и бодърстване. Кредит: Keith Hengen

„Можехме да разгледаме отделните времеви точки, когато тези неврони се задействаха, и стана много ясно, че [невроните] преминават към различно състояние“, разказва Айдън Шнайдер (Aidan Schneider), изследовател в WashU. „В някои случаи тези присветвания може да са ограничени до района само на отделна област на мозъка, може би дори по-малка от нея."

След това изследователите се опитват да видят каква, ако има такава, физическа реакция може да се наблюдава по време на тези микро-дрямки за части от секундата. И с изненада забелязват, че мишките за кратко изглеждат като „дрогирани“, а по време на сън животните потрепват в същите тези моменти на „присветване“.

„Наблюдавахме преходи от пробуждане към REM трептения, REM към не-REM присветвания – виждаме всички тези възможни комбинации и те нарушават правилата, които бихте очаквали въз основа на вековна литература“, разказва Хенген. „Мисля, че те разкриват разделението между макросъстоянията – сън и бодърстване на ниво цялото животно, и на ниво фундаментална единица на състоянието в мозъка – бързите и локални модели."

Констатациите могат да предложат нови прозрения за състояния, които са свързани съус смущения на съня, осигурявайки нова цел за лечение на неврологични и невродегенеративни заболявания.

„Това ни дава потенциално много, много остър скалпел, с който да се справим с тези въпроси за болести и разстройства“, коментира Хенген. „Колкото повече разбираме на фундаментално ниво какво представляват съня и бодърстването, толкова по-добре можем да се насочим към проблемите, свързани с болестта."

Справка: Parks, D.F., Schneider, A.M., Xu, Y. et al. A nonoscillatory, millisecond-scale embedding of brain state provides insight into behavior. Nat Neurosci (2024). https://doi.org/10.1038/s41593-024-01715-2

Източник: Scientists find that small regions of the brain can take micro-naps while the rest of the brain is awake and vice versa, University of Santa Cruz