Onze ogen zijn meestal gesloten als we slapen. Er vindt echter veel activiteit plaats onder onze gesloten oogleden: een team van onderzoekers onder leiding van senior onderzoekers Caroline Lustenberger, Sarah Meissner en Nicole Wenderoth van het Neuronal Movement Control Laboratory aan de ETH Zürich heeft waargenomen dat de grootte van de pupil constant fluctueert tijdens de slaap.

De pupil tijdens de slaap

Soms verwijdt hij zich, soms vernauwt hij zich; soms vinden deze veranderingen binnen enkele seconden plaats, soms pas na enkele minuten. “Deze dynamiek weerspiegelt de staat van opwinding of de mate van hersenactivatie in de gebieden die verantwoordelijk zijn voor de slaap-waakregulatie,” zegt Lustenberger. “Deze observaties spreken de eerdere aanname tegen dat het niveau van arousal tijdens de slaap over het algemeen laag is.”

In plaats daarvan laten deze fluctuaties in pupilgrootte zien dat de hersenen constant wisselen tussen hogere en lagere niveaus van activatie, zelfs tijdens de slaap. Deze nieuwe bevindingen bevestigen voor mensen wat andere onderzoeksgroepen onlangs hebben ontdekt in studies bij knaagdieren, die ook langzame schommelingen in het niveau van activering (in de wetenschappelijke gemeenschap bekend als arousal) laten zien. Het onderzoek van de ETH-onderzoekers is onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications.

Pupildynamiek is niet alleen gerelateerd aan de verschillende slaapfasen

De hersengebieden die de activeringstoestand regelen bevinden zich diep in de hersenstam. Daarom is het moeilijk om deze processen direct te meten bij mensen tijdens de slaap. De bestaande methoden zijn technisch veeleisend en nog niet ingeburgerd in deze context. De studie van de ETH-onderzoekers is daarom gebaseerd op metingen van de pupillen. Het is bekend dat de pupillen de staat van activering aangeven wanneer een persoon wakker is. Ze kunnen daarom worden gebruikt als markers voor activiteit in diepere hersengebieden.

Om de veranderingen in de pupillen van mensen tijdens de slaap te onderzoeken, ontwikkelden de ETH-onderzoekers een nieuwe methode: met behulp van een speciale plaktechniek en een transparante pleister konden ze de ogen van de proefpersonen meerdere uren openhouden. “Onze grootste zorg was dat de proefpersonen niet zouden kunnen slapen met hun ogen open. Maar in een donkere kamer vergeten de meeste mensen dat hun ogen nog open zijn en kunnen ze slapen,” vertelt de hoofdauteur van het onderzoek, Manuel Carro Domínguez, die de techniek ontwikkelde.

Analyse van de gegevens toonde aan dat de dynamiek van de pupillen niet alleen samenhangt met de verschillende slaapfasen, maar ook met specifieke patronen van hersenactiviteit, zoals slaapspoeltjes en uitgesproken diepe slaapgolven – hersengolven die belangrijk zijn voor geheugenconsolidatie en slaapstabiliteit. De onderzoekers ontdekten ook dat de hersenen reageren op geluiden met verschillende intensiteit, afhankelijk van het niveau van activering, wat wordt weerspiegeld in de grootte van de pupil.

Een centrale regulator van het activeringsniveau is een klein gebied in de hersenstam dat de locus coeruleus wordt genoemd. Bij dieren hebben wetenschappers aangetoond dat dit belangrijk is voor de regulatie van slaapstadia en waakzaamheid. In deze studie konden de ETH-onderzoekers niet bewijzen of de locus coeruleus daadwerkelijk direct verantwoordelijk is voor de pupilveranderingen. De experts observeerden alleen pupilveranderingen die gerelateerd zijn aan de mate van hersenactivatie en hartactiviteit.

In een vervolgstudie willen de onderzoekers proberen om de activiteit van de locus coeruleus met medicijnen te beïnvloeden om te onderzoeken hoe dit de pupildynamiek beïnvloedt. Ze hopen inzicht te krijgen in de vraag of dit hersengebied daadwerkelijk verantwoordelijk is voor het regelen van de pupillen tijdens de slaap en hoe veranderingen in de mate van activatie de slaap en de functies ervan beïnvloeden.

Leerlingdynamica gebruiken om ziekten te diagnosticeren

Inzicht in de pupildynamiek tijdens de slaap zou ook belangrijke inzichten kunnen opleveren voor de diagnose en behandeling van slaapstoornissen en andere ziekten. De onderzoekers willen daarom onderzoeken of veranderingen in de pupil tijdens de slaap aanwijzingen kunnen geven voor functionele stoornissen van het arousal-systeem. Hieronder vallen aandoeningen zoals slapeloosheid, posttraumatische stressstoornis en mogelijk de ziekte van Alzheimer.

Een ander doel is om de technologie bruikbaar te maken buiten slaaplaboratoria, bijvoorbeeld in ziekenhuizen, waar het zou kunnen helpen bij het monitoren van de waakzaamheid van comapatiënten of bij het nauwkeuriger diagnosticeren van slaapstoornissen. De pupil als venster naar de hersenen zou zo de weg kunnen vrijmaken voor nieuwe mogelijkheden in de slaapgeneeskunde en neurowetenschappen.