Ačkoli je známo, že spánek zlepšuje kognitivní výkonnost, základní nervové mechanismy, zejména v kontextu non-REM spánku, jsou stále z velké části neprozkoumané. Nová studie týmu vědců z Riceovy univerzity a Centra pro obnovu nervových systémů Houston Methodist a Weill Cornell Medical College, kterou koordinoval Valentin Dragoi z Riceovy univerzity, nicméně odhalila klíčový mechanismus, díky němuž spánek zlepšuje nervovou a behaviorální výkonnost, což může změnit naše základní chápání toho, jak spánek optimalizuje výkonnost mozku.

Studie publikovaná v časopise Science ukazuje, jak spánek NREM –lehčí spánek, který zažíváme například během zdřímnutí– podporuje synchronizaci mozku a zlepšuje kódování informací, čímž vrhá nové světlo na tuto fázi spánku. Výzkumníci tyto účinky zopakovali pomocí invazivní stimulace, což naznačuje slibné možnosti budoucí neuromodulační terapie u lidí. Důsledky tohoto objevu potenciálně otevírají cestu k inovativní léčbě poruch spánku a dokonce i k metodám zvyšování kognitivních a behaviorálních výkonů.

Jak spánek zvyšuje výkonnost

Výzkum zahrnoval zkoumání neuronální aktivity v několika oblastech mozku u opic druhu makak, zatímco zvířata prováděla úkol vizuálního rozlišování před a po 30minutové fázi NREM spánku. Pomocí multielektrodových soustav vědci zaznamenávali aktivitu tisíců neuronů ve třech oblastech mozku: primární a střední zrakové kůře a dorsolaterální prefrontální kůře, které jsou spojeny se zpracováním zraku a výkonnými funkcemi. Aby vědci potvrdili, že makakové jsou v NREM spánku, použili polysomnografii ke sledování jejich mozkové a svalové aktivity a videoanalýzu, aby se ujistili, že mají zavřené oči a jejich tělo je uvolněné. Výsledky ukázaly, že spánek zlepšil výkon zvířat při řešení vizuálního úkolu tím, že jim umožnil přesněji rozlišovat mezi otočenými obrazy. Důležité je, že k tomuto zlepšení došlo pouze u těch, kteří skutečně usnuli – makakové, kteří byli vzhůru, ale v klidu, aniž by usnuli, stejné zlepšení výkonu nevykazovali.

„Během spánku jsme pozorovali nárůst aktivity nízkofrekvenčních delta vln a synchronizovaných výbojů mezi neurony v různých korových oblastech,“ uvedla první autorka Dr. Natasha Kharasová, bývalá postdoktorandka v laboratoři Dr. Dragoise, která v současnosti působí na neurologické klinice Weill Cornell. Po spánku se však neuronální aktivita oproti spánku desynchronizovala, což umožnilo neuronům střílet nezávisleji. Tento posun vedl ke zlepšení přesnosti zpracování informací a výkonu při řešení zrakových úloh.

Vědci také simulovali nervové účinky spánku pomocí nízkofrekvenční elektrické stimulace zrakové kůry. Použili stimulaci o frekvenci 4 Hz, aby napodobili delta frekvenci pozorovanou během NREM spánku, zatímco zvířata byla vzhůru. Tato umělá stimulace reprodukovala desynchronizační efekt pozorovaný po spánku a podobně zlepšila výkonnost zvířat při plnění úkolů, což naznačuje, že specifické vzorce elektrické stimulace by mohly být potenciálně použity k napodobení kognitivních výhod spánku.

Vývoj terapeutických technik stimulace mozku pro zlepšení kognitivních funkcí a paměti

Podle Dragoie, spoluautora studie, profesora elektrotechniky a počítačového inženýrství na Rice University, prezidentského čestného předsedy pro neuroprotetiku Rosemary a Daniela J. Harrisonových III na Houston Methodist a profesora neurověd na Weill Cornell University, je toto zjištění významné, protože naznačuje, že některých regeneračních a výkonnost zvyšujících účinků spánku by mohlo být dosaženo i bez skutečného spánku. Schopnost reprodukovat spánkovou desynchronizaci neuronů během bdělosti otevírá nové možnosti pro zlepšení kognitivních a percepčních výkonů v situacích, kdy spánek není možný – například u jedinců s poruchami spánku nebo za náročných okolností, jako je vesmírný výzkum.

Výzkumníci dále zkoumali své výsledky sestavením velkého modelu neuronové sítě. Zjistili, že během spánku se v mozku oslabují jak excitační, tak inhibiční spoje, ale asymetricky, takže inhibiční spoje se oslabují více než excitační, což vede ke zvýšení excitace. Objevili překvapivé řešení, které mozek uplatňuje po spánku, kdy neuronální populace zapojené do úkolu snižují po spánku stupeň své synchronizace, přestože během samotného spánku dostávají synchronizační impulsy.

Myšlenka, že NREM spánek tímto způsobem účinně „restartuje“ mozek a že tento reset lze uměle napodobit, nabízí potenciál pro vývoj terapeutických technik stimulace mozku ke zlepšení kognitivních funkcí a paměti. „Tato studie nejen prohlubuje naše mechanistické chápání úlohy spánku pro kognitivní funkce, ale také prolamuje nové poznatky tím, že ukazuje, že určité vzorce stimulace mozku by mohly nahradit některé výhody spánku, což naznačuje budoucnost, v níž bychom mohli posílit mozkové funkce nezávisle na samotném spánku,“ řekl Dragoi.