Spánek je obvykle považován za stav „všechno nebo nic“: Mozek je buď zcela vzhůru, nebo zcela spí. Neurovědci z MIT však objevili mozkový obvod, který dokáže spustit malé oblasti mozku, aby usnuly nebo se staly méně bdělými, zatímco zbytek mozku zůstává vzhůru.
Tento obvod vzniká v mozkové struktuře známé jako thalamické retikulární jádro (TRN), které přenáší signály do thalamu a poté do mozkové kůry, čímž vyvolává kapsy pomalých, oscilujících mozkových vln charakteristických pro hluboký spánek. Pomalé oscilace se objevují také během kómatu a celkové anestezie a jsou spojeny se sníženou vzrušivostí. Při dostatečné aktivitě TRN mohou tyto vlny ovládnout celý mozek.
Vědci se domnívají, že TRN může pomáhat mozku upevňovat nové vzpomínky tím, že koordinuje pomalé vlny mezi různými částmi mozku, což jim umožňuje snadněji sdílet informace.
„Během spánku mají možná určité oblasti mozku pomalé vlny ve stejnou dobu, protože si potřebují vyměňovat informace, zatímco jiné ne,“ říká Laura Lewisová, vědecká pracovnice oddělení mozkových a kognitivních věd MIT a jedna z hlavních autorek nové studie, která dnes vyšla v časopise eLife.
Výzkumníci tvrdí, že TRN může být také zodpovědná za to, co se děje v mozku, když lidé s nedostatkem spánku zažívají krátké pocity „zónování“, zatímco se snaží zůstat vzhůru.
Druhým prvním autorem článku je Jakob Voigts, postgraduální student MIT v oboru mozku a kognitivních věd. Vedoucími autory jsou Emery Brown, profesor lékařského inženýrství a výpočetní neurovědy Edward Hood Taplin na MIT a anesteziolog v Massachusettské všeobecné nemocnici, a Michael Halassa, odborný asistent na New York University. Dalšími autory jsou výzkumný pracovník MIT Francisco Flores a Matthew Wilson, profesor neurobiologie Sherman Fairchild a člen Picowerova institutu pro učení a paměť na MIT.
Lokální kontrola
Dosud se většina výzkumu spánku zaměřovala na globální kontrolu spánku, ke které dochází, když je celý mozek zaplaven pomalými vlnami – oscilacemi mozkové aktivity, které vznikají, když jsou soubory neuronů na krátkou dobu umlčeny.
Nedávné studie však ukázaly, že spánkově deprivovaná zvířata mohou vykazovat pomalé vlny v částech mozku, i když jsou stále vzhůru, což naznačuje, že mozek může kontrolovat bdělost i na lokální úrovni.
Tým MIT začal zkoumat lokální kontrolu bdělosti nebo ospalosti s TRN, protože její fyzická poloha ji předurčuje k tomu, aby hrála roli ve spánku, říká Lewis. TRN obklopuje thalamus jako krunýř a může fungovat jako strážce smyslových informací vstupujících do thalamu, který pak posílá informace do mozkové kůry k dalšímu zpracování.
Pomocí optogenetiky, techniky, která vědcům umožňuje stimulovat nebo umlčet neurony pomocí světla, vědci zjistili, že pokud u bdělých myší slabě stimulovali TRN, objevily se v malé části mozkové kůry pomalé vlny. Při větší stimulaci se pomalé vlny objevily v celé kůře.
„Zjistili jsme také, že když vyvoláme tyto pomalé vlny v celé kůře, zvířata se začnou chovat, jako by byla ospalá. Přestanou se hýbat, sníží se jim svalový tonus,“ říká Lewis.
Výzkumníci se domnívají, že TRN jemně vylaďuje kontrolu mozku nad místními oblastmi mozku, zesiluje nebo snižuje pomalé vlny v určitých oblastech, aby tyto oblasti mohly mezi sebou komunikovat, nebo vyvolává v některých oblastech menší pohotovost, když je mozek velmi ospalý. To by mohlo vysvětlovat, co se děje u lidí, když jsou nevyspalí a na chvíli se zónují, aniž by skutečně usnuli.
„Přikláním se k názoru, že se to děje proto, že mozek začíná přecházet do spánku a některé lokální oblasti mozku se stávají ospalými, i když se nutíte zůstat vzhůru,“ říká Lewis.
„Síla této práce spočívá v tom, že jako první využívá optogenetiku k pokusu o rozčlenění role části thalamo-kortikálního okruhu při generování pomalých vln v kůře,“ říká Mark Opp, profesor anesteziologie a medicíny bolesti na Washingtonské univerzitě, který nebyl součástí výzkumného týmu.
Přirozený spánek a celková anestezie
Poznání toho, jak mozek řídí vzrušení, by mohlo vědcům pomoci navrhnout nové léky na spaní a anestetika, které by vytvořily stav více podobný přirozenému spánku. Stimulace TRN může vyvolat hluboké spánkové stavy, které nejsou podobné REM, a předchozí výzkum Browna a jeho kolegů odhalil obvod, který zapíná spánek REM.
Brown dodává: „TRN je bohatá na synapse – spoje v mozku – které uvolňují inhibiční neurotransmiter GABA. Proto je TRN téměř jistě místem působení mnoha anestetik, vzhledem k tomu, že velká třída z nich působí na tyto synapse a vyvolává pomalé vlny jako jeden z jejich charakteristických rysů.“
Předchozí práce Lewise a jeho kolegů ukázala, že na rozdíl od pomalých vln ve spánku nejsou pomalé vlny při celkové anestezii koordinované, což naznačuje mechanismus, proč tyto léky narušují výměnu informací v mozku a vyvolávají bezvědomí.