Hoewel bekend is dat slaap cognitieve prestaties verbetert, zijn de onderliggende neurale mechanismen, vooral in de context van de niet-REM slaap, nog grotendeels onontdekt. Een nieuwe studie door een team van onderzoekers van Rice University en Houston Methodist’s Center for Neural Systems Restoration en Weill Cornell Medical College, gecoördineerd door Valentin Dragoi van Rice University, heeft niettemin een belangrijk mechanisme blootgelegd waardoor slaap neurale en gedragsprestaties verbetert, waardoor ons basisbegrip van hoe slaap hersenprestaties optimaliseert mogelijk verandert.
Het onderzoek, dat is gepubliceerd in Science, laat zien hoe NREM-slaap – delichtere slaap die bijvoorbeeld wordt ervaren tijdens een dutje– hersensynchronisatie bevordert en het coderen van informatie verbetert. De onderzoekers repliceerden deze effecten met invasieve stimulatie, wat wijst op veelbelovende mogelijkheden voor toekomstige neuromodulatietherapieën bij mensen. De implicaties van deze ontdekking maken mogelijk de weg vrij voor innovatieve behandelingen voor slaapstoornissen en zelfs methoden om cognitieve en gedragsprestaties te verbeteren.
Hoe slaap prestaties verbetert
Het onderzoek omvatte een onderzoek naar de neuronale activiteit in verschillende hersengebieden bij makaken, terwijl de dieren een visuele discriminatietaak uitvoerden voor en na een NREM-slaapfase van 30 minuten. Met behulp van multi-elektrode arrays registreerden de onderzoekers de activiteit van duizenden neuronen in drie hersengebieden: primaire en middelste visuele cortex en dorsolaterale prefrontale cortex, die worden geassocieerd met visuele verwerking en executieve functies. Om te bevestigen dat de makaken in NREM-slaap waren, gebruikten de onderzoekers polysomnografie om hun hersen- en spieractiviteit te controleren en videoanalyse om er zeker van te zijn dat hun ogen gesloten waren en hun lichamen ontspannen. De resultaten toonden aan dat slaap de prestaties van de dieren op de visuele taak verbeterde doordat ze gedraaide afbeeldingen nauwkeuriger konden onderscheiden. Belangrijk is dat deze verbetering alleen optrad bij degenen die daadwerkelijk in slaap waren gevallen – de makaken die wakker waren maar rustig, zonder in slaap te vallen, vertoonden niet dezelfde prestatieverbetering.
“Tijdens de slaap observeerden we een toename in laagfrequente delta-golfactiviteit en gesynchroniseerde ontlading tussen neuronen in verschillende corticale gebieden,” aldus eerste auteur Dr. Natasha Kharas, een voormalig postdoc in het lab van Dr. Dragois en momenteel werkzaam in de neurologische chirurgie in Weill Cornell. Na de slaap werd de neuronale activiteit echter gedesynchroniseerd ten opzichte van de slaap, waardoor neuronen onafhankelijker konden vuren. Deze verschuiving resulteerde in verbeterde nauwkeurigheid van informatieverwerking en prestaties op de visuele taken.
De onderzoekers simuleerden ook de neurale effecten van slaap door laagfrequente elektrische stimulatie van de visuele cortex. Ze pasten stimulatie van 4 Hz toe om de deltafrequentie na te bootsen die werd waargenomen tijdens de NREM-slaap terwijl de dieren wakker waren. Deze kunstmatige stimulatie reproduceerde het desynchronisatie-effect dat na de slaap werd waargenomen en verbeterde op vergelijkbare wijze de taakprestaties van de dieren, wat suggereert dat specifieke patronen van elektrische stimulatie mogelijk kunnen worden gebruikt om de cognitieve voordelen van slaap na te bootsen.
Therapeutische hersenstimulatietechnieken ontwikkelen om de cognitieve functie en het geheugen te verbeteren
Volgens Dragoi, co-auteur van het onderzoek, hoogleraar elektrotechniek en computertechniek aan Rice University, de Rosemary en Daniel J. Harrison III Presidential Distinguished Chair in Neuroprosthetics aan Houston Methodist en hoogleraar neurowetenschappen aan Weill Cornell University, is deze bevinding belangrijk omdat het aangeeft dat sommige van de herstellende en prestatieverbeterende effecten van slaap bereikt kunnen worden zonder daadwerkelijk te slapen. De mogelijkheid om slaapachtige neuronale desynchronisatie te reproduceren tijdens het waken opent nieuwe mogelijkheden voor het verbeteren van cognitieve en perceptuele prestaties in situaties waarin slaap niet mogelijk is – zoals voor mensen met slaapstoornissen of onder uitdagende omstandigheden zoals ruimteverkenning.
De onderzoekers onderzochten hun resultaten verder door een groot neuraal netwerkmodel te bouwen. Ze ontdekten dat tijdens de slaap zowel de excitatoire als de remmende verbindingen in de hersenen verzwakken, maar asymmetrisch, zodat de remmende verbindingen meer verzwakken dan de excitatoire, wat leidt tot een toename in excitatie. Ze hebben een verrassende oplossing ontdekt die de hersenen gebruiken na de slaap, waarbij de neuronale populaties die betrokken zijn bij de taak hun synchronisatiegraad verminderen na de slaap, ook al ontvangen ze synchroniserende impulsen tijdens de slaap zelf.
Het idee dat de NREM-slaap de hersenen op deze manier effectief ‘herstart’ en dat deze reset kunstmatig kan worden nagebootst, biedt mogelijkheden voor de ontwikkeling van therapeutische hersenstimulatietechnieken om de cognitieve functie en het geheugen te verbeteren . “Deze studie verdiept niet alleen ons mechanistisch begrip van de rol van slaap voor cognitieve functies, maar is ook baanbrekend door aan te tonen dat bepaalde patronen van hersenstimulatie sommige voordelen van slaap kunnen vervangen, wat een toekomst suggereert waarin we hersenfuncties kunnen stimuleren onafhankelijk van de slaap zelf,” zei Dragoi.
