Våra ögon är vanligtvis stängda när vi sover. Under de slutna ögonlocken pågår dock en hel del aktivitet: ett forskarteam under ledning av Caroline Lustenberger, Sarah Meissner och Nicole Wenderoth från Neuronal Movement Control Laboratory vid ETH Zürich har observerat att pupillens storlek varierar konstant under sömnen.

Pupillen under sömnen

Ibland vidgas pupillen, ibland drar den ihop sig. Ibland sker dessa förändringar inom några sekunder, ibland först under loppet av flera minuter. ”Denna dynamik återspeglar upphetsningstillståndet eller graden av hjärnaktivering i de regioner som ansvarar för sömn- och vakenhetsregleringen”, säger Lustenberger. ”Dessa observationer motsäger det tidigare antagandet att upphetsningsnivån under sömnen i allmänhet är låg.”

Istället visar dessa fluktuationer i pupillstorleken att hjärnan ständigt växlar mellan högre och lägre aktiveringsnivåer, även under sömnen. Dessa nya rön bekräftar för människor vad andra forskargrupper nyligen har upptäckt i studier på gnagare, som också visar långsamma fluktuationer i aktiveringsnivån (i forskarsamhället känd som arousal). ETH-forskarnas studie publicerades nyligen i tidskriften Nature Communications.

Pupilldynamiken är inte bara relaterad till de olika sömnfaserna

De delar av hjärnan som kontrollerar aktiveringstillståndet ligger djupt inne i hjärnstammen. Det är därför det har varit svårt att direkt mäta dessa processer hos människor under sömnen. De befintliga metoderna är tekniskt krävande och ännu inte etablerade i detta sammanhang. ETH-forskarnas studie baseras därför på pupillmätningar. Det är välkänt att pupillerna indikerar aktiveringstillståndet när en person är vaken. De kan därför användas som markörer för aktivitet i djupare hjärnregioner.

För att undersöka förändringarna i människans pupiller under sömnen utvecklade ETH-forskarna en ny metod: med hjälp av en speciell limteknik och ett genomskinligt plåster kunde de hålla försökspersonernas ögon öppna i flera timmar. ”Vår största farhåga var att försökspersonerna inte skulle kunna sova med öppna ögon. Men i ett mörkt rum glömmer de flesta att ögonen fortfarande är öppna och kan sova”, förklarar studiens huvudförfattare Manuel Carro Domínguez, som utvecklade tekniken.

Analysen av data visade att pupilldynamiken inte bara är förknippad med de olika sömnfaserna utan också med specifika mönster av hjärnaktivitet, såsom sömnspindlar och uttalade djupa sömnvågor – hjärnvågor som är viktiga för minneskonsolidering och sömnstabilitet. Forskarna upptäckte också att hjärnan reagerar på ljud med olika intensitet beroende på aktiveringsnivån, vilket avspeglas i pupillens storlek.

En central regulator av aktiveringsnivån är en liten region i hjärnstammen som kallas locus coeruleus. Hos djur har forskare visat att detta är viktigt för regleringen av sömnstadier och vakenhet. I den här studien kunde ETH-forskarna inte bevisa om locus coeruleus faktiskt är direkt ansvarig för pupillförändringarna. Experterna observerade endast pupillförändringar som är relaterade till graden av hjärnaktivering och hjärtaktivitet.

I en uppföljande studie vill forskarna försöka påverka aktiviteten i locus coeruleus med medicinering för att undersöka hur detta påverkar pupilldynamiken. De hoppas få insikter i om denna hjärnregion faktiskt är ansvarig för att kontrollera pupillerna under sömnen och hur förändringar i aktiveringsnivån påverkar sömnen och dess funktioner.

Använda pupilldynamik för att diagnostisera sjukdomar

Att förstå pupilldynamiken under sömnen skulle också kunna ge viktiga insikter för diagnos och behandling av sömnstörningar och andra sjukdomar. Forskarna vill därför undersöka om förändringar i pupillen under sömnen kan ge ledtrådar till funktionsstörningar i uppvakningssystemet. Det handlar om störningar som sömnlöshet, posttraumatiskt stressyndrom och eventuellt Alzheimers sjukdom.

Ett annat mål är att göra tekniken användbar utanför sömnlaboratorierna, t.ex. på sjukhus, där den skulle kunna hjälpa till att övervaka komapatienters vakenhet eller mer exakt diagnostisera sömnstörningar. Pupillen som ett fönster till hjärnan skulle därmed kunna bana väg för nya möjligheter inom sömnmedicin och neurovetenskap.