Naš mozak nakratko drijema dok smo budni

Po prvi put, znanstvenici američkog sveučilišta UC Santa Cruz, otkrili su da se spavanje može detektirati obrascima neuronske aktivnosti duge samo milisekunde, odnosno 1000 puta kraće od sekunde, što pruža novi način proučavanja i razumijevanja osnovnih obrazaca moždanih valova koji upravljaju sviješću. Oni također pokazuju da mali dijelovi mozga mogu nakratko biti budni dok ostatak mozga spava, i obrnuto.

Ovi nalazi, rezultat su suradnje između laboratorija docenta biologije Keitha Hengena na Sveučilištu Washington u St. Louisu i profesora biomolekularnog inženjerstva Davida Hausslera na UC Santa Cruz. Istraživanje su proveli dr. sc. studenti David Parks (UCSC) i Aidan Schneider (WashU).

Tijekom četiri godine rada, Parks i Schneider uvježbali su neuronsku mrežu za proučavanje obrazaca unutar golemih količina podataka o moždanim valovima, otkrivajući obrasce koji se javljaju na iznimno visokim frekvencijama koje nikada prije nisu opisane i dovode u pitanje temeljne, dugo uvriježene koncepcije o javi i snu.

"Bilo je iznenađujuće za nas kao znanstvenike otkriti da različiti dijelovi našeg mozga zapravo malo drijemaju kada je ostatak mozga budan, iako su mnogi ljudi možda već posumnjali na to kod svojih supružnika, pa je možda nedostatak muško-ženske predrasude ono što je ovdje iznenađujuće", našalio se Haussler.

Neuroznanstvenici proučavaju mozak putem snimanja električnih signala moždane aktivnosti, promatrajući naponske valove kako se penju i spuštaju različitim tempom. U ove valove umiješani su uzorci šiljaka pojedinih neurona.

Istraživači su radili s podacima dobivenim od miševa u laboratoriju Hengen u St. Louisu. Životinje koje su se slobodno ponašale bile su opremljene vrlo laganim slušalicama koje su mjesecima bilježile aktivnost mozga iz 10 različitih regija mozga, prateći napon iz malih skupina neurona s preciznošću od mikrosekunde.

Ovoliki unos stvorio je petabajte podataka, a David Parks nastojao je da se ti neobrađeni podaci unesu u umjetnu neuronsku mrežu, koja može pronaći vrlo složene obrasce, razlikovati podatke o spavanju i budnosti i pronaći obrasce koje je ljudsko promatranje možda propustilo. Suradnja sa zajedničkom akademskom računalnom infrastrukturom koja se nalazi na UC San Diego omogućila je timu da radi s ovoliko podataka, koji su bili na razini onoga što bi mogle koristiti velike tvrtke poput Googlea ili Facebooka. 

Otkrili su da model može napraviti razliku između sna i budnosti iz samo milisekundi podataka o moždanoj aktivnosti. Ovo je bilo šokantno za istraživački tim, jer se pokazalo da se model nije mogao oslanjati na spore valove kako bi naučio razliku između sna i jave.

"Vidimo informacije na razini detalja koja je bez presedana", rekao je Haussler. "Prethodni je osjećaj bio da se tamo ništa neće naći, da su sve relevantne informacije u valovima sporije frekvencije. Ovaj rad kaže, ako zanemarite konvencionalna mjerenja i samo pogledate detalje visokofrekventnog mjerenja u samo tisućinki sekunde, tamo ima dovoljno da se kaže spava li tkivo ili ne. To nam govori da se nešto događa vrlo brzo - to je novi nagovještaj onoga što bi se moglo događati u snu."

Budući da je umjetna neuronska mreža u osnovi crna kutija i ne izvještava o onome iz čega uči, David Parks je počeo skidati slojeve vremenskih i prostornih informacija kako bi pokušao shvatiti iz kojih bi obrazaca model mogao učiti.

Na kraju su došli do točke u kojoj su gledali dijelove moždanih podataka duge samo jednu milisekundu i na najvišim frekvencijama fluktuacija moždanog napona.

"Izvukli smo sve informacije koje je neuroznanost koristila za razumijevanje, definiranje i analizu spavanja u prošlom stoljeću i pitali smo se može li model i dalje učiti pod ovim uvjetima", rekao je Parks. "To nam je omogućilo da istražimo signale koje prije nismo razumjeli."

Promatrajući te podatke, uspjeli su utvrditi da je hiperbrzi obrazac aktivnosti između samo nekoliko neurona temeljni element sna koji je model otkrivao. Ključno je da se takvi obrasci ne mogu objasniti tradicionalnim, sporim i raširenim valovima. Istraživači pretpostavljaju da valovi koji se sporo kreću možda djeluju tako da koordiniraju brze, lokalne obrasce aktivnosti, ali su na kraju došli do zaključka da su brzi obrasci puno bliži pravoj biti sna.

Dok su promatrali model koji predviđa spavanje ili budnost, primijetili su ono što je isprva izgledalo kao pogreška, pri čemu je na djelić sekunde model detektirao budnost u jednom dijelu mozga dok je ostatak mozga spavao. Vidjeli su istu stvar u budnim stanjima: na djelić sekunde, jedna bi regija zaspala dok su ostale regije bile budne. Oni te slučajeve nazivaju "treptajima".

"Mogli smo pogledati pojedinačne vremenske točke kada su ti neuroni aktivirali, i bilo je prilično jasno da [neuroni] prelaze u drugo stanje", rekao je Schneider. "U nekim slučajevima ti treptaji mogu biti ograničeni na područje samo pojedinačne regije mozga, možda čak i manje od toga."

To je natjeralo istraživače da istraže što titraji mogu značiti o funkciji spavanja i kako utječu na ponašanje tijekom sna i budnosti.

"Postoji prirodna hipoteza, recimo da mali dio vašeg mozga sklizne u san dok ste budni. Znači li to da vaše ponašanje odjednom izgleda kao da spavate? Počeli smo uviđati da je to često slučaj," rekao je Schneider.

Promatrajući ponašanje miševa, istraživači su vidjeli da bi miš zastao na sekundu, gotovo kao da je zaspao, kada bi dio mozga zatreperio u stanju spavanja dok je ostatak mozga bio budan. Treperenje tijekom spavanja (jedno područje mozga se "budi") odrazilo se trzanjem životinje u snu.

Stjecanje dubljeg razumijevanja obrazaca koji se javljaju na visokim frekvencijama i treperenja između budnosti i sna moglo bi pomoći istraživačima u boljem proučavanju neurorazvojnih i neurodegenerativnih bolesti, koje su povezane s disregulacijom sna.

Istraživanje objavljeno u časopisu Nature Neuroscience možete pronaći na ovoj poveznici.