Även om det är känt att sömn förbättrar den kognitiva prestationsförmågan är de underliggande neurala mekanismerna, särskilt i samband med icke-REM-sömn, fortfarande i stort sett outforskade. En ny studie av ett team av forskare från Rice University och Houston Methodists Center for Neural Systems Restoration och Weill Cornell Medical College, samordnad av Valentin Dragoi från Rice University, har emellertid avslöjat en viktig mekanism genom vilken sömn förbättrar nerv- och beteendeprestanda, vilket potentiellt kan förändra vår grundläggande förståelse för hur sömn optimerar hjärnans prestanda.
Studien, som publicerades i Science, visar hur NREM-sömn – denlättare sömn som upplevs under t.ex. en tupplur – främjar hjärnans synkronisering och förbättrar informationskodningen, vilket kastar nytt ljus över denna sömnfas. Forskarna replikerade dessa effekter med hjälp av invasiv stimulering, vilket indikerar lovande möjligheter för framtida neuromoduleringsbehandlingar hos människor. Konsekvenserna av denna upptäckt kan potentiellt bana väg för innovativa behandlingar av sömnstörningar och till och med metoder för att förbättra kognitiva och beteendemässiga prestationer.
Hur sömn ökar prestationsförmågan
Forskningen omfattade en undersökning av neuronal aktivitet i flera hjärnområden hos makakapor, medan djuren utförde en uppgift med visuell diskriminering före och efter en 30-minuters NREM-sömnfas. Med hjälp av multielektroder registrerade forskarna aktiviteten hos tusentals nervceller i tre hjärnområden: primära och mellersta visuella cortex och dorsolaterala prefrontala cortex, som är förknippade med visuell bearbetning och exekutiva funktioner. För att bekräfta att makakerna befann sig i NREM-sömn använde forskarna polysomnografi för att övervaka deras hjärn- och muskelaktivitet och videoanalys för att säkerställa att deras ögon var stängda och att deras kroppar var avslappnade. Resultaten visade att sömnen förbättrade djurens prestationer i den visuella uppgiften genom att de kunde skilja mellan roterade bilder på ett mer exakt sätt. Det är viktigt att notera att denna förbättring endast skedde hos dem som faktiskt hade somnat – de makaker som var vakna men lugna utan att somna uppvisade inte samma förbättring av prestationen.
”Under sömnen observerade vi en ökning av lågfrekvent deltavågsaktivitet och synkroniserade urladdningar mellan nervceller i olika kortikala regioner”, säger försteförfattaren Dr. Natasha Kharas, en tidigare postdoktor i Dr. Dragois labb och för närvarande inom neurologisk kirurgi vid Weill Cornell. Efter sömnen desynkroniserades dock nervcellernas aktivitet i förhållande till sömnen, vilket gjorde att nervcellerna kunde avfyras mer oberoende av varandra. Denna förändring resulterade i förbättrad noggrannhet i informationsbearbetning och prestanda på de visuella uppgifterna.
Forskarna simulerade också sömnens neurala effekter genom lågfrekvent elektrisk stimulering av den visuella cortex. De använde 4 Hz-stimulering för att efterlikna den deltafrekvens som observerades under NREM-sömn medan djuren var vakna. Denna artificiella stimulering reproducerade den desynkroniseringseffekt som observerades efter sömn och förbättrade på liknande sätt djurens uppgiftsprestanda, vilket tyder på att specifika mönster av elektrisk stimulering potentiellt skulle kunna användas för att efterlikna sömnens kognitiva fördelar.
Utveckling av terapeutiska hjärnstimuleringstekniker för att förbättra kognitiv funktion och minne
Enligt Dragoi, medförfattare till studien, professor i elektro- och datateknik vid Rice University, Rosemary and Daniel J. Harrison III Presidential Distinguished Chair in Neuroprosthetics vid Houston Methodist och professor i neurovetenskap vid Weill Cornell University, är detta resultat viktigt eftersom det indikerar att några av de återställande och prestationshöjande effekterna av sömn kan uppnås utan faktisk sömn. Möjligheten att reproducera sömnliknande neuronal desynkronisering under vakenhet öppnar upp för nya möjligheter att förbättra kognitiva och perceptuella prestationer i situationer där sömn inte är möjlig – till exempel för individer med sömnstörningar eller under utmanande omständigheter som rymdforskning.
Forskarna undersökte sina resultat ytterligare genom att bygga en stor modell av ett neuralt nätverk. De fann att under sömnen försvagas både de exciterande och hämmande kopplingarna i hjärnan, men asymmetriskt, så att de hämmande kopplingarna försvagas mer än de exciterande, vilket leder till en ökning av excitationen. De har upptäckt en överraskande lösning som hjärnan använder sig av efter sömnen, där de neuronala populationer som är involverade i uppgiften minskar sin grad av synkronisering efter sömnen, trots att de får synkroniserande impulser under själva sömnen.
Tanken att NREM-sömn effektivt ”startar om” hjärnan på detta sätt, och att denna återställning kan efterliknas på konstgjord väg, ger potential för att utveckla terapeutiska hjärnstimuleringstekniker för att förbättra kognitiv funktion och minne. ”Denna studie fördjupar inte bara vår mekanistiska förståelse av sömnens roll för kognitiv funktion, utan bryter också ny mark genom att visa att vissa mönster av hjärnstimulering kan ersätta vissa fördelar med sömn, vilket tyder på en framtid där vi kan öka hjärnans funktion oberoende av sömnen i sig”, säger Dragoi.
