Spavanje i buđenje: To su potpuno različita stanja postojanja koja definišu granice našeg svakodnevnog života. Godinama su naučnici merili razliku između ovih instinktivnih moždanih procesa posmatranjem moždanih talasa, pri čemu je san karakteristično definisan sporim, dugotrajnim talasima merenim u desetinkama sekunde koji putuju kroz ceo organ.
Po prvi put, naučnici su otkrili da se san može otkriti obrascima neuronske aktivnosti dugim samo milisekunde, 1.000 puta kraćim od sekunde, otkrivajući novi način proučavanja i razumevanja osnovnih obrazaca moždanih talasa koji upravljaju svešću. Oni takođe pokazuju da mali delovi mozga mogu trenutno da „trepere“ budni dok ostatak mozga spava, i obrnuto od buđenja do spavanja.
Ovi nalazi, opisani u novoj studiji objavljenoj u časopisu Nature Neuroscience, su rezultat saradnje između laboratorija docenta biologije Kita Hengena na Vašington univerzitetu u Sent Luisu i uvaženog profesora biomolekularnog inženjeringa Davida Hausslera na UC Santa Cruz. Istraživanje je sprovela dr. studenti David Parks (UCSC) i Aidan Schneider (VashU).
Tokom četiri godine rada, Parks i Šnajder su obučili neuronsku mrežu da proučava obrasce unutar ogromne količine podataka o moždanim talasima, otkrivajući obrasce koji se javljaju na izuzetno visokim frekvencijama koje nikada ranije nisu opisane i izazivaju temeljne, dugotrajne koncepcije neuroloških osnovu sna i budnosti.
„Sa moćnim alatima i novim računskim metodama, toliko toga se može dobiti osporavanje naših najosnovnijih pretpostavki i ponovno razmatranje pitanja ‘šta je država?’“, rekao je Hengen. „Spavanje ili buđenje je jedina najveća odrednica vašeg ponašanja, a onda sve ostalo ispada odatle. Dakle, ako ne razumemo šta su san i buđenje zapravo, izgleda da smo propustili čamac.“
„Bilo je iznenađujuće za nas kao naučnike da otkrijemo da različiti delovi našeg mozga zapravo malo drijemaju kada je ostatak mozga budan, iako su mnogi ljudi možda već sumnjali u to kod svog supružnika, tako da je možda nedostatak muško-ženske pristrasnosti je ono što je iznenađujuće“, rekao je Haussler.
Neuronaučnici proučavaju mozak putem snimaka električnih signala moždane aktivnosti, poznatih kao elektrofiziološki podaci, posmatrajući talase napona dok se penju i padaju različitim tempom. U ove talase su pomešani obrasci šiljaka pojedinačnih neurona.
Istraživači su radili sa podacima od miševa u laboratoriji Hengen u Sent Luisu. Životinje koje su se slobodno ponašale bile su opremljene veoma laganim slušalicama koje su mesecima beležile aktivnost mozga iz 10 različitih regiona mozga, prateći napon iz malih grupa neurona sa preciznošću od mikrosekunde.
Ovo mnogo unosa stvorilo je petabajte — koji su milion puta veći od gigabajta — podataka. Dejvid Parks je predvodio napore da se ovi neobrađeni podaci unesu u veštačku neuronsku mrežu, koja može da pronađe veoma složene obrasce, da razlikuje podatke o spavanju i buđenju i pronađe obrasce koje je ljudsko posmatranje možda propustilo. Saradnja sa zajedničkom akademskom računarskom infrastrukturom koja se nalazi u UC San Diego omogućila je timu da radi sa ovoliko podataka, što je bilo u obimu onoga što velike kompanije poput Gugla ili Fejsbuka mogu da koriste.
Znajući da je spavanje tradicionalno definisano sporim talasima, Parks je počeo da unosi sve manje i manje komade podataka u neuronsku mrežu i tražio je od nje da predvidi da li mozak spava ili je budan.
Tim je otkrio da model može razlikovati spavanje i buđenje na osnovu podataka o moždanoj aktivnosti od samo milisekundi. Ovo je bilo šokantno za istraživački tim – pokazalo je da se model nije mogao oslanjati na spore talase da bi naučio razliku između sna i budnosti. Baš kao što slušanje hiljaditog dela sekunde pesme ne može da vam kaže da li ima spor ritam, bilo bi nemoguće da model nauči ritam koji se javlja tokom nekoliko sekundi samo gledanjem na slučajne izolovane milisekunde informacija.
„Vidimo informacije na nivou detalja koji je bez presedana“, rekao je Haussler. „Prethodni osećaj je bio da se tu ništa neće naći, da su sve relevantne informacije u talasima sporije frekvencije. Ovaj rad kaže, ako zanemarite konvencionalna merenja, a samo pogledate detalje merenja visoke frekvencije tokom samo jednog hiljaditi deo sekunde, ima dovoljno da se kaže da li tkivo spava ili ne. Ovo nam govori da se nešto dešava veoma brzo – to je novi nagoveštaj o tome šta bi se moglo dešavati u snu.
Hengen je, sa svoje strane, bio ubeđen da su Parksu i Šnajderu nešto nedostajalo, jer su njihovi rezultati bili toliko kontradiktorni sa osnovnim konceptima koji su mu bili usađeni tokom mnogo godina obrazovanja iz neuronauka. Tražio je od Parksa da pruži sve više i više dokaza da bi ovaj fenomen mogao biti stvaran.
„Ovo me je izazvalo da se zapitam: ‘U kojoj meri su moja uverenja zasnovana na dokazima i koje dokaze treba da vidim da bih poništio ta uverenja?'“, rekao je Hengen. „Zaista je izgledalo kao igra mačke i miša, jer bih tražio od Dejvida [Parksa] iznova i iznova da pruži još dokaza i dokaže mi stvari, a on bi se vratio i rekao: ‘Vidi ovo.’ Bio je zaista interesantan proces kao naučnika da moji studenti ruše ove kule ciglu po ciglu, a ja moram da budem u redu sa tim.“
Pošto je veštačka neuronska mreža u osnovi crna kutija i ne izveštava o tome iz čega uči, Parks je počeo da uklanja slojeve vremenskih i prostornih informacija kako bi pokušao da razume iz kojih obrazaca model može da uči.
Na kraju su došli do tačke u kojoj su gledali delove podataka o mozgu u trajanju od samo milisekunde i na najvišim frekvencijama fluktuacija napona mozga.
„Izvadili smo sve informacije koje je neuronauka koristila da razume, definiše i analizira san tokom prošlog veka, i pitali smo: ‘Može li model i dalje da uči pod ovim uslovima?’“, rekao je Parks. „Ovo nam je omogućilo da pogledamo signale koje ranije nismo razumeli.“
Gledajući ove podatke, uspeli su da utvrde da je hiperbrzi obrazac aktivnosti između samo nekoliko neurona osnovni element sna koji je model detektovao. Najvažnije je da se takvi obrasci ne mogu objasniti tradicionalnim, sporim i rasprostranjenim talasima. Istraživači pretpostavljaju da spori talasi možda deluju tako da koordiniraju brze, lokalne obrasce aktivnosti, ali su na kraju došli do zaključka da su brzi obrasci mnogo bliži pravoj suštini sna.
Ako se spori talasi koji se tradicionalno koriste za definisanje sna uporede sa hiljadama ljudi na bejzbol stadionu koji rade talas, onda su ovi brzi obrasci razgovori između samo nekoliko ljudi koji odlučuju da učestvuju u talasu. Ti razgovori koji se odvijaju su od suštinske važnosti za sveukupni veći talas i direktnije su povezani sa raspoloženjem na stadionu – talas je sekundarni rezultat toga.
U daljem proučavanju hiperlokalnih obrazaca aktivnosti, istraživači su počeli da primećuju još jedan iznenađujući fenomen.
Dok su posmatrali model koji predviđa san ili buđenje, primetili su ono što je na prvi pogled izgledalo kao greške, u kojima bi model za delić sekunde detektovao buđenje u jednom delu mozga dok je ostatak mozga ostao da spava. Videli su istu stvar u budnom stanju: na delić sekunde, jedan region bi zaspao dok su ostali regioni bili budni. Oni nazivaju ove slučajeve „treperenjem“.
„Mogli smo da pogledamo pojedinačne vremenske tačke kada su se ovi neuroni aktivirali i bilo je prilično jasno da [neuroni] prelaze u drugo stanje“, rekao je Šnajder. „U nekim slučajevima, ovi treperi mogu biti ograničeni na područje samo pojedinačnog regiona mozga, možda čak i manje od toga.“
Ovo je primoralo istraživače da istraže šta bi treperenje moglo značiti o funkciji sna i kako utiču na ponašanje tokom spavanja i buđenja.
„Postoji prirodna hipoteza; recimo da mali deo vašeg mozga klizi u san dok ste budni – da li to znači da vaše ponašanje odjednom izgleda kao da spavate? Počeli smo da uviđamo da je to često bio slučaj“, Šnajder rekao.
Posmatrajući ponašanje miševa, istraživači su videli da kada bi deo mozga treperio da spava dok je ostatak mozga budan, miš bi zastao na sekundu, skoro kao da je bio isključen. Treperenje tokom spavanja (jedan region mozga se „budi“) odražavalo se tako što se životinja trzala u snu.
Treperenja su posebno iznenađujuća jer ne prate utvrđena pravila koja diktiraju strogi ciklus mozga koji se kreće uzastopno između budnog i ne-REM spavanja do REM spavanja.
„Vidimo treperenje od REM faze, od REM do ne-REM treperenja — vidimo sve ove moguće kombinacije i one krše pravila koja biste očekivali na osnovu sto godina literature“, rekao je Hengen. „Mislim da otkrivaju razdvajanje između makro-stanja – sna i budnosti na nivou cele životinje, i osnovne jedinice stanja u mozgu – brzih i lokalnih obrazaca.
Sticanje dubljeg razumevanja obrazaca koji se javljaju na visokim frekvencijama i treperenja između budnosti i sna moglo bi pomoći istraživačima da bolje proučavaju neurorazvojne i neurodegenerativne bolesti, koje su oboje povezane sa disregulacijom sna. I Hausslerove i Hengenove laboratorijske grupe su zainteresovane da dalje razumeju ovu vezu, a Hausler je zainteresovan za dalje proučavanje ovih fenomena u modelima cerebralnih organoida, delovima moždanog tkiva uzgojenim na laboratorijskoj klupi.
„Ovo nam daje potencijalno veoma, veoma oštar skalpel kojim možemo da se bavimo ovim pitanjima bolesti i poremećaja“, rekao je Hengen. „Što više razumemo fundamentalno šta su san i buđenje, to više možemo da se pozabavimo relevantnim kliničkim problemima i problemima povezanim sa bolestima.“
Na osnovnom nivou, ovaj rad pomaže da unapredimo naše razumevanje mnogih slojeva složenosti mozga kao organa koji diktira ponašanje, emocije i još mnogo toga.
