Chociaż wiadomo, że sen poprawia wydajność poznawczą, leżące u jego podstaw mechanizmy neuronalne, zwłaszcza w kontekście snu innego niż REM, są nadal w dużej mierze niezbadane. Nowe badanie przeprowadzone przez zespół naukowców z Rice University i Houston Methodist’s Center for Neural Systems Restoration oraz Weill Cornell Medical College, koordynowane przez Valentina Dragoi z Rice University, odkryło jednak kluczowy mechanizm, dzięki któremu sen poprawia wydajność neuronalną i behawioralną, potencjalnie zmieniając nasze podstawowe zrozumienie tego, jak sen optymalizuje wydajność mózgu.
Opublikowane w Science badanie pokazuje, w jaki sposób sen NREM –lżejszy sen doświadczany na przykład podczas drzemki– promuje synchronizację mózgu i poprawia kodowanie informacji, rzucając nowe światło na tę fazę snu. Naukowcy odtworzyli te efekty za pomocą inwazyjnej stymulacji, co wskazuje na obiecujące możliwości przyszłych terapii neuromodulacyjnych u ludzi. Konsekwencje tego odkrycia mogą utorować drogę dla innowacyjnych metod leczenia zaburzeń snu, a nawet metod poprawy wydajności poznawczej i behawioralnej.
Jak sen zwiększa wydajność
Badania obejmowały badanie aktywności neuronalnej w kilku obszarach mózgu u małp z gatunku makaków, podczas gdy zwierzęta wykonywały zadanie rozróżniania wzrokowego przed i po 30-minutowej fazie snu NREM. Korzystając z matryc wieloelektrodowych, naukowcy zarejestrowali aktywność tysięcy neuronów w trzech obszarach mózgu: pierwotnej i środkowej korze wzrokowej oraz grzbietowo-bocznej korze przedczołowej, które są związane z przetwarzaniem wzrokowym i funkcjami wykonawczymi. Aby potwierdzić, że makaki znajdowały się w stanie snu NREM, naukowcy wykorzystali polisomnografię do monitorowania aktywności mózgu i mięśni oraz analizę wideo, aby upewnić się, że ich oczy były zamknięte, a ciała zrelaksowane. Wyniki pokazały, że sen poprawił wydajność zwierząt w zadaniu wzrokowym, umożliwiając im dokładniejsze rozróżnianie obróconych obrazów. Co ważne, poprawa ta wystąpiła tylko u tych, które faktycznie zasnęły – makaki, które były obudzone, ale spokojnie, bez zasypiania, nie wykazały takiej samej poprawy wydajności.
„Podczas snu zaobserwowaliśmy wzrost aktywności fal delta o niskiej częstotliwości i zsynchronizowane wyładowania między neuronami w różnych obszarach korowych” – powiedziała pierwsza autorka dr Natasha Kharas, była postdoc w laboratorium dr Dragoisa, a obecnie zajmująca się chirurgią neurologiczną w Weill Cornell. Jednak po zaśnięciu aktywność neuronów uległa desynchronizacji w stosunku do snu, umożliwiając neuronom bardziej niezależne działanie. Zmiana ta zaowocowała poprawą dokładności przetwarzania informacji i wydajności w zadaniach wizualnych.
Naukowcy symulowali również neuronalne efekty snu poprzez elektryczną stymulację kory wzrokowej o niskiej częstotliwości. Zastosowali stymulację o częstotliwości 4 Hz, aby naśladować częstotliwość delta obserwowaną podczas snu NREM, gdy zwierzęta nie spały. Ta sztuczna stymulacja odtworzyła efekt desynchronizacji obserwowany po śnie i podobnie poprawiła wydajność zadań zwierząt, sugerując, że określone wzorce stymulacji elektrycznej mogą być potencjalnie wykorzystane do naśladowania poznawczych korzyści snu.
Opracowanie technik terapeutycznej stymulacji mózgu w celu poprawy funkcji poznawczych i pamięci
Według Dragoi, współautora badania, profesora inżynierii elektrycznej i komputerowej na Uniwersytecie Rice, Rosemary i Daniela J. Harrisona III Presidential Distinguished Chair in Neuroprosthetics w Houston Methodist oraz profesora neuronauki na Weill Cornell University, odkrycie to jest znaczące, ponieważ wskazuje, że niektóre z regenerujących i poprawiających wydajność efektów snu można osiągnąć bez rzeczywistego snu. Zdolność do odtworzenia podobnej do snu desynchronizacji neuronów podczas czuwania otwiera nowe możliwości poprawy zdolności poznawczych i percepcyjnych w sytuacjach, w których sen nie jest możliwy – na przykład u osób z zaburzeniami snu lub w trudnych warunkach, takich jak eksploracja kosmosu.
Naukowcy zbadali dalej swoje wyniki, budując duży model sieci neuronowej. Odkryli, że podczas snu zarówno pobudzające, jak i hamujące połączenia w mózgu słabną, ale asymetrycznie, tak że połączenia hamujące słabną bardziej niż pobudzające, co prowadzi do wzrostu pobudzenia. Odkryli zaskakujące rozwiązanie, które mózg stosuje po zaśnięciu, dzięki czemu populacje neuronów zaangażowane w zadanie zmniejszają swój stopień synchronizacji po zaśnięciu, mimo że otrzymują impulsy synchronizujące podczas samego snu.
Pomysł, że sen NREM skutecznie „restartuje” mózg w ten sposób i że ten reset można sztucznie naśladować, oferuje potencjał do opracowania terapeutycznych technik stymulacji mózgu w celu poprawy funkcji poznawczych i pamięci. „Badanie to nie tylko pogłębia nasze mechanistyczne zrozumienie roli snu dla funkcji poznawczych, ale także otwiera nowe możliwości, pokazując, że pewne wzorce stymulacji mózgu mogą zastąpić niektóre korzyści płynące ze snu, sugerując przyszłość, w której moglibyśmy poprawić funkcjonowanie mózgu niezależnie od samego snu” – powiedział Dragoi.
