Hoci je známe, že spánok zlepšuje kognitívny výkon, základné nervové mechanizmy, najmä v kontexte spánku mimo REM, sú stále do značnej miery nepreskúmané. Nová štúdia tímu výskumníkov z Rice University a Houston Methodist’s Center for Neural Systems Restoration a Weill Cornell Medical College, ktorú koordinoval Valentin Dragoi z Rice University, však odhalila kľúčový mechanizmus, ktorým spánok zlepšuje nervovú a behaviorálnu výkonnosť, čo môže zmeniť naše základné chápanie toho, ako spánok optimalizuje výkonnosť mozgu.
Štúdia publikovaná v časopise Science ukazuje, ako spánok NREM –ľahší spánok, ktorý zažívame napríklad počas zdriemnutia– podporuje synchronizáciu mozgu a zlepšuje kódovanie informácií, čím vrhá nové svetlo na túto fázu spánku. Výskumníci zopakovali tieto účinky pomocou invazívnej stimulácie, čo naznačuje sľubné možnosti pre budúce neuromodulačné terapie u ľudí. Dôsledky tohto objavu potenciálne otvárajú cestu k inovatívnej liečbe porúch spánku a dokonca k metódam na zlepšenie kognitívnych a behaviorálnych výkonov.
Ako spánok zvyšuje výkonnosť
Výskum zahŕňal skúmanie neuronálnej aktivity v niekoľkých oblastiach mozgu u opíc druhu makak, pričom zvieratá vykonávali úlohu vizuálneho rozlišovania pred a po 30-minútovej fáze NREM spánku. Pomocou multielektródových sústav výskumníci zaznamenávali aktivitu tisícov neurónov v troch oblastiach mozgu: primárnej a strednej zrakovej kôre a dorsolaterálnej prefrontálnej kôre, ktoré súvisia so spracovaním zraku a výkonnými funkciami. Na potvrdenie toho, že makaky boli v spánku NREM, výskumníci použili polysomnografiu na monitorovanie ich mozgovej a svalovej aktivity a videoanalýzu, aby sa uistili, že ich oči sú zatvorené a ich telo je uvoľnené. Výsledky ukázali, že spánok zlepšil výkon zvierat pri vizuálnej úlohe tým, že im umožnil presnejšie rozlišovať medzi otočenými obrazmi. Dôležité je, že k tomuto zlepšeniu došlo len u tých, ktorí skutočne zaspali – makaky, ktoré boli síce bdelé, ale pokojne, bez toho, aby zaspali, nevykazovali rovnaké zlepšenie výkonu.
„Počas spánku sme pozorovali zvýšenie aktivity nízkofrekvenčných delta vĺn a synchronizované výboje medzi neurónmi v rôznych oblastiach kôry,“ uviedla prvá autorka Dr. Natasha Kharasová, bývalá postdoktorandka v laboratóriu Dr. Dragoisa a v súčasnosti pôsobiaca na neurochirurgii na Weill Cornell. Po spánku sa však aktivita neurónov oproti spánku desynchronizovala, čo umožnilo neurónom strieľať nezávislejšie. Táto zmena viedla k zlepšeniu presnosti spracovania informácií a výkonu pri vizuálnych úlohách.
Vedci tiež simulovali nervové účinky spánku nízkofrekvenčnou elektrickou stimuláciou zrakovej kôry. Aplikovali 4-Hz stimuláciu, aby napodobnili delta frekvenciu pozorovanú počas NREM spánku, zatiaľ čo zvieratá boli bdelé. Táto umelá stimulácia reprodukovala desynchronizačný efekt pozorovaný po spánku a podobne zlepšila výkonnosť zvierat pri riešení úloh, čo naznačuje, že špecifické vzory elektrickej stimulácie by sa potenciálne mohli použiť na napodobnenie kognitívnych výhod spánku.
Vývoj terapeutických techník stimulácie mozgu na zlepšenie kognitívnych funkcií a pamäti
Podľa Dragoia, spoluautora štúdie, profesora elektrotechniky a počítačového inžinierstva na Rice University, prezidentského vedúceho katedry neuroprotetiky Rosemary a Daniela J. Harrisonovcov III na Houston Methodist a profesora neurovedy na Weill Cornell University, je toto zistenie významné, pretože naznačuje, že niektoré regeneračné a výkon zvyšujúce účinky spánku by sa mohli dosiahnuť bez skutočného spánku. Schopnosť reprodukovať spánkovú desynchronizáciu neurónov počas bdelosti otvára nové možnosti zlepšenia kognitívnej a percepčnej výkonnosti v situáciách, keď spánok nie je možný – napríklad u jedincov s poruchami spánku alebo v náročných podmienkach, ako je vesmírny výskum.
Vedci ďalej skúmali svoje výsledky vytvorením veľkého modelu neurónovej siete. Zistili, že počas spánku sa excitačné aj inhibičné spojenia v mozgu oslabujú, ale asymetricky, takže inhibičné spojenia sa oslabujú viac ako excitačné, čo vedie k zvýšeniu excitácie. Objavili prekvapivé riešenie, ktoré mozog uplatňuje po spánku, pričom populácie neurónov zapojené do úlohy po spánku znižujú stupeň svojej synchronizácie, hoci počas samotného spánku dostávajú synchronizačné impulzy.
Myšlienka, že NREM spánok týmto spôsobom účinne „reštartuje“ mozog a že tento reset možno umelo napodobniť, ponúka potenciál pre vývoj terapeutických techník stimulácie mozgu na zlepšenie kognitívnych funkcií a pamäti. „Táto štúdia nielenže prehlbuje naše mechanistické chápanie úlohy spánku pre kognitívne funkcie, ale tiež otvára nové možnosti tým, že ukazuje, že určité vzorce stimulácie mozgu by mohli nahradiť niektoré výhody spánku, čo naznačuje budúcnosť, v ktorej by sme mohli posilniť funkciu mozgu nezávisle od samotného spánku,“ povedal Dragoi.
