Søvnen anses normalt for at være en alt-eller-intet-tilstand: Hjernen er enten helt vågen eller helt sovende. Neurovidenskabsfolk fra MIT har imidlertid opdaget et hjernekredsløb, der kan udløse små regioner i hjernen til at falde i søvn eller blive mindre vågne, mens resten af hjernen forbliver vågen.
Dette kredsløb stammer fra en hjernestruktur, der er kendt som den thalamiske retikulære kerne (TRN), som videresender signaler til thalamus og derefter hjernens cortex, hvilket fremkalder lommer af de langsomme, svingende hjernebølger, der er karakteristiske for dyb søvn. Langsomme svingninger forekommer også under koma og generel anæstesi og er forbundet med nedsat arousal. Med tilstrækkelig TRN-aktivitet kan disse bølger overtage hele hjernen.
Forskerne mener, at TRN kan hjælpe hjernen med at konsolidere nye erindringer ved at koordinere langsomme bølger mellem forskellige dele af hjernen, så de lettere kan dele information.
“Under søvn har specifikke hjerneområder måske langsomme bølger på samme tid, fordi de har brug for at udveksle information med hinanden, mens andre regioner ikke har brug for det,” siger Laura Lewis, der er forskningsmedarbejder ved MIT’s Department of Brain and Cognitive Sciences og en af hovedforfatterne til den nye undersøgelse, som i dag udkommer i tidsskriftet eLife.
TRN kan også være ansvarlig for det, der sker i hjernen, når mennesker med søvnmangel oplever korte fornemmelser af “zoning out”, mens de kæmper for at holde sig vågne, siger forskerne.
Den anden førsteforfatter til artiklen er Jakob Voigts, en kandidatstuderende i hjerne og kognitive videnskaber ved MIT. Seniorforfattere er Emery Brown, Edward Hood Taplin Professor of Medical Engineering and Computational Neuroscience ved MIT og en anæstesiolog ved Massachusetts General Hospital, og Michael Halassa, en assisterende professor ved New York University. Andre forfattere er MIT-forskningsmedarbejder Francisco Flores og Matthew Wilson, Sherman Fairchild Professor in Neurobiology og medlem af MIT’s Picower Institute for Learning and Memory.
Lokal kontrol
Der er indtil nu fokuseret på global kontrol af søvn, hvilket sker, når hele hjernen er oversvømmet af langsomme bølger – svingninger af hjerneaktivitet, der skabes, når sæt af neuroner er tavse i korte perioder.
Derimod har nyere undersøgelser vist, at søvnløse dyr kan udvise langsomme bølger i dele af deres hjerne, mens de stadig er vågne, hvilket tyder på, at hjernen også kan kontrollere vågenhed på lokalt niveau.
MIT-holdet begyndte sin undersøgelse af lokal kontrol af vågenhed eller døsighed med TRN, fordi dens fysiske placering gør den perfekt positioneret til at spille en rolle i søvn, siger Lewis. TRN omgiver thalamus som en skal og kan fungere som en gatekeeper for sensorisk information, der kommer ind i thalamus, som derefter sender information til cortex til videre behandling.
Ved hjælp af optogenetik, en teknik, der gør det muligt for forskere at stimulere eller lukke neuroner med lys, fandt forskerne, at hvis de svagt stimulerede TRN i vågne mus, dukkede der langsomme bølger op i en lille del af cortex. Med mere stimulering viste hele cortex langsomme bølger.
“Vi fandt også, at når man fremkalder disse langsomme bølger i hele cortexen, begynder dyrene at opføre sig adfærdsmæssigt, som om de er søvnige. De holder op med at bevæge sig, deres muskeltonus falder”, siger Lewis.
Forskerne mener, at TRN finjusterer hjernens kontrol over lokale hjerneområder og forstærker eller reducerer de langsomme bølger i visse områder, så disse områder kan kommunikere med hinanden, eller inducerer nogle områder til at blive mindre opmærksomme, når hjernen er meget søvnig. Dette kan forklare, hvad der sker hos mennesker, når de er søvnfattige og kortvarigt falder i zonen uden at falde i søvn.
“Jeg er tilbøjelig til at tro, at det sker, fordi hjernen begynder at gå over i søvn, og nogle lokale hjerneområder bliver døsige, selv om man tvinger sig selv til at holde sig vågen,” siger Lewis.
“Styrken ved denne artikel er, at det er den første, der bruger optogenetik til at forsøge at dissekere den rolle, som en del af det thalamo-kortikale kredsløb spiller for at generere langsomme bølger i cortex”, siger Mark Opp, professor i anæstesiologi og smertemedicin ved University of Washington, som ikke var en del af forskerholdet.
Naturlig søvn og generel anæstesi
Forståelse af, hvordan hjernen styrer ophidselse, kan hjælpe forskerne med at designe nye søvn- og anæstesimidler, der skaber en tilstand, der minder mere om naturlig søvn. Stimulering af TRN kan fremkalde dybe, ikke-REM-lignende søvntilstande, og tidligere forskning af Brown og kolleger afdækkede et kredsløb, der slår REM-søvnen til.
Brown tilføjer: “TRN er rig på synapser – forbindelser i hjernen – der frigiver den hæmmende neurotransmitter GABA. Derfor er TRN næsten helt sikkert et virkningssted for mange bedøvelsesmidler, da en stor klasse af dem virker på disse synapser og producerer langsomme bølger som et af deres karakteristiske træk.”
Tidligere arbejde udført af Lewis og kolleger har vist, at i modsætning til de langsomme bølger i søvn er de langsomme bølger under generel anæstesi ikke koordinerede, hvilket tyder på en mekanisme for, hvorfor disse lægemidler forringer informationsudvekslingen i hjernen og producerer bevidstløshed.