Iako je dobro poznato da san poboljšava kognitivne performanse, osnovni neuronski mehanizmi, posebno oni koji se odnose na spavanje bez brzih pokreta očiju (NREM), ostaju uglavnom neistraženi. Nova studija tima istraživača na Univerzitetu Rajs i Metodističkom centru za restauraciju neuronskih sistema u Hjustonu i Medicinskom koledžu Vajl Kornel, koju koordinira Rajsov Valentin Dragoi, ipak je otkrila ključni mehanizam pomoću kojeg san poboljšava performanse neurona i ponašanja, potencijalno menjajući naše fundamentalne razumevanje kako san povećava snagu mozga.
Istraživanje, objavljeno u časopisu Nauka, otkriva kako NREM san – lakši san koji se doživljava kada drijemamo, na primer – podstiče sinhronizaciju mozga i poboljšava kodiranje informacija, bacajući novo svetlo na ovu fazu sna. Istraživači su ponovili ove efekte kroz invazivnu stimulaciju, sugerišući obećavajuće mogućnosti za buduće neuromodulacione terapije kod ljudi. Implikacije ovog otkrića potencijalno otvaraju put za inovativne tretmane za poremećaje spavanja, pa čak i metode za poboljšanje kognitivnih i bihevioralnih performansi.
Istraživanje je uključivalo ispitivanje neuronske aktivnosti u više područja mozga kod makaka, dok su životinje obavljale zadatak vizuelne diskriminacije pre i posle 30-minutnog perioda NREM sna. Koristeći nizove sa više elektroda, istraživači su snimili aktivnost hiljada neurona u tri oblasti mozga: primarni i srednji vizuelni korteks i dorsolateralni prefrontalni korteks, koji su povezani sa vizuelnom obradom i izvršnim funkcijama. Da bi potvrdili da su makaki bili u NREM snu, istraživači su koristili polisomnografiju da prate njihovu aktivnost mozga i mišića uz video analizu kako bi se uverili da su im oči zatvorene, a tela opuštena.
Nalazi su pokazali da je san poboljšao performanse životinja u vizuelnom zadatku uz povećanu preciznost u razlikovanju rotiranih slika. Važno je da je ovo poboljšanje bilo jedinstveno za one koji su zaista zaspali — makaki koji su iskusili tiho buđenje a da nisu zaspali nisu pokazali isto povećanje performansi.
„Tokom spavanja, primetili smo povećanje aktivnosti niskofrekventnih delta talasa i sinhronizovano aktiviranje među neuronima u različitim regionima kortela“, rekla je prva autorka dr Natasha Kharas, bivša istraživačica u Dragoijevoj laboratoriji i sadašnja specijalizantka neurološke hirurgije u Veill Cornell. „Nakon spavanja, međutim, neuronska aktivnost je postala više desinhronizovana u poređenju sa pre spavanja, omogućavajući neuronima da se aktiviraju nezavisnije. Ova promena je dovela do poboljšane tačnosti u obradi informacija i performansi u vizuelnim zadacima.“
Istraživači su takođe simulirali neuronske efekte sna kroz niskofrekventnu električnu stimulaciju vizuelnog korteksa. Primenili su stimulaciju od 4 Hz da bi oponašali delta frekvenciju primećenu tokom NREM spavanja dok su životinje bile budne. Ova veštačka stimulacija je reprodukovala efekat desinhronizacije viđen nakon spavanja i na sličan način poboljšala performanse zadataka životinja, sugerišući da bi se specifični obrasci električne stimulacije potencijalno mogli koristiti za oponašanje kognitivnih prednosti sna.
„Ovo otkriće je značajno jer sugeriše da bi se neki od efekata sna koji poboljšavaju učinak sna mogu postići bez potrebe za stvarnim snom“, rekao je Dragoi, koautor studije, profesor elektrotehnike i računarskog inženjerstva u Rice, Rosemari. i Daniel J. Harrison III Predsednička istaknuta katedra za neuroprostetiku u Hjustonskom metodisti i profesor neuronauke na Veill Cornell. „Sposobnost da se reprodukuje neuralna desinhronizacija nalik spavanju u budnom stanju otvara nove mogućnosti za poboljšanje kognitivnih i perceptivnih performansi u situacijama kada san nije izvodljiv – kao što su pojedinci sa poremećajima spavanja ili u olakšavajućim okolnostima kao što je istraživanje svemira.
Istraživači su dalje istraživali svoje nalaze izgradnjom velikog modela neuronske mreže. Otkrili su da tokom spavanja i ekscitatorne i inhibitorne veze u mozgu postaju slabije, ali to čine asimetrično, čineći inhibitorne veze slabijim od ekscitatornih, što uzrokuje povećanje ekscitacije.
„Otkrili smo iznenađujuće rešenje koje mozak koristi nakon spavanja, pri čemu neuronske populacije koje učestvuju u zadatku smanjuju nivo sinhronizacije nakon spavanja uprkos tome što primaju sinhronizacione ulaze tokom samog spavanja“, rekao je Dragoi.
Ideja da NREM spavanje efikasno „pojačava“ mozak na ovaj način, i da se ovo resetovanje može veštački oponašati, nudi potencijal za razvoj terapeutskih tehnika stimulacije mozga za poboljšanje kognitivnih funkcija i pamćenja.
„Naša studija ne samo da produbljuje naše mehaničko razumevanje uloge sna u kognitivnim funkcijama, već i otvara nove osnove pokazujući da specifični obrasci moždane stimulacije mogu zameniti neke prednosti sna, ukazujući na budućnost u kojoj bismo mogli da pojačamo funkciju mozga nezavisno od samog sna. “, rekao je Dragoi.
