Selvom det er kendt, at søvn forbedrer den kognitive ydeevne, er de underliggende neurale mekanismer, især i forbindelse med non-REM-søvn, stadig stort set uudforskede. En ny undersøgelse foretaget af et team af forskere fra Rice University og Houston Methodists Center for Neural Systems Restoration og Weill Cornell Medical College, koordineret af Valentin Dragoi fra Rice University, har ikke desto mindre afdækket en vigtig mekanisme, hvormed søvn forbedrer neurale og adfærdsmæssige præstationer, hvilket potentielt kan ændre vores grundlæggende forståelse af, hvordan søvn optimerer hjernens præstationer.

Undersøgelsen, der er offentliggjort i Science, viser, hvordan NREM-søvn – denlettere søvn, som man f.eks. oplever under en lur– fremmer hjernesynkronisering og forbedrer informationskodning, hvilket kaster nyt lys over denne søvnfase. Forskerne gentog disse effekter ved hjælp af invasiv stimulering, hvilket indikerer lovende muligheder for fremtidige neuromodulationsterapier hos mennesker. Konsekvenserne af denne opdagelse kan potentielt bane vejen for innovative behandlinger af søvnforstyrrelser og endda metoder til at forbedre kognitive og adfærdsmæssige præstationer.

Hvordan søvn øger præstationsevnen

Forskningen omfattede en undersøgelse af neuronal aktivitet i flere hjerneområder hos makak-aben, mens dyrene udførte en visuel diskriminationsopgave før og efter en 30 minutters NREM-søvnfase. Ved hjælp af multielektroder registrerede forskerne aktiviteten af tusindvis af neuroner i tre hjerneområder: primær og mellemste visuelle cortex og dorsolateral præfrontal cortex, som er forbundet med visuel bearbejdning og udøvende funktioner. For at bekræfte, at makakkerne befandt sig i NREM-søvn, brugte forskerne polysomnografi til at overvåge deres hjerne- og muskelaktivitet og videoanalyse for at sikre, at deres øjne var lukkede, og at deres kroppe var afslappede. Resultaterne viste, at søvnen forbedrede dyrenes præstation i den visuelle opgave ved at gøre dem i stand til at skelne mellem drejede billeder mere præcist. Det er vigtigt at bemærke, at denne forbedring kun skete hos dem, der faktisk var faldet i søvn – de makakaber, der var vågne, men rolige uden at falde i søvn, viste ikke den samme forbedring i præstation.

“Under søvnen observerede vi en stigning i lavfrekvent deltabølgeaktivitet og synkroniseret udladning mellem neuroner i forskellige kortikale regioner,” siger førsteforfatter Dr. Natasha Kharas, en tidligere postdoc i Dr. Dragois’ laboratorium og i øjeblikket i neurologisk kirurgi på Weill Cornell. Men efter søvnen blev den neuronale aktivitet desynkroniseret i forhold til søvnen, så neuronerne kunne fyre mere uafhængigt af hinanden. Dette skift resulterede i forbedret nøjagtighed i informationsbehandlingen og præstation i de visuelle opgaver.

Forskerne simulerede også de neurale effekter af søvn ved hjælp af lavfrekvent elektrisk stimulering af den visuelle cortex. De anvendte 4 Hz-stimulering for at efterligne den deltafrekvens, der blev observeret under NREM-søvn, mens dyrene var vågne. Denne kunstige stimulering gengav den desynkroniseringseffekt, der blev observeret efter søvn, og forbedrede ligeledes dyrenes opgavepræstationer, hvilket tyder på, at specifikke mønstre af elektrisk stimulering potentielt kan bruges til at efterligne de kognitive fordele ved søvn.

Udvikling af terapeutiske hjernestimuleringsteknikker til forbedring af kognitiv funktion og hukommelse

Ifølge Dragoi, der er medforfatter til undersøgelsen, professor i elektro- og computerteknik ved Rice University, Rosemary and Daniel J. Harrison III Presidential Distinguished Chair in Neuroprosthetics ved Houston Methodist og professor i neurovidenskab ved Weill Cornell University, er dette resultat vigtigt, fordi det indikerer, at nogle af de genoprettende og præstationsfremmende effekter af søvn kan opnås uden egentlig søvn. Evnen til at reproducere søvnlignende neuronal desynkronisering i vågen tilstand åbner op for nye muligheder for at forbedre den kognitive og perceptuelle præstation i situationer, hvor søvn ikke er mulig – f.eks. for personer med søvnforstyrrelser eller under udfordrende omstændigheder som udforskning af rummet.

Forskerne undersøgte deres resultater yderligere ved at opbygge en stor neural netværksmodel. De fandt ud af, at både de exciterende og hæmmende forbindelser i hjernen svækkes under søvnen, men asymmetrisk, så de hæmmende forbindelser svækkes mere end de exciterende, hvilket fører til en stigning i excitationen. De har opdaget en overraskende løsning, som hjernen anvender efter søvnen, hvor de neuronale populationer, der er involveret i opgaven, mindsker deres grad af synkronisering efter søvnen, selv om de modtager synkroniserende impulser under selve søvnen.

Ideen om, at NREM-søvn effektivt ‘genstarter’ hjernen på denne måde, og at denne nulstilling kan efterlignes kunstigt, giver potentiale til at udvikle terapeutiske hjernestimuleringsteknikker til at forbedre kognitiv funktion og hukommelse. “Denne undersøgelse uddyber ikke kun vores mekanistiske forståelse af søvnens rolle for den kognitive funktion, men går også nye veje ved at vise, at visse mønstre af hjernestimulering kan erstatte nogle af fordelene ved søvn, hvilket tyder på en fremtid, hvor vi kan øge hjernens funktion uafhængigt af selve søvnen,” siger Dragoi.