Nukkumista pidetään yleensä joko kaikki tai ei mitään -tilana: Aivot ovat joko täysin hereillä tai täysin unessa. MIT:n neurotieteilijät ovat kuitenkin löytäneet aivojen virtapiirin, joka voi laukaista pieniä aivojen alueita nukahtamaan tai muuttumaan vähemmän valppaiksi, kun taas muut aivot pysyvät hereillä.
Tämä virtapiiri saa alkunsa aivojen rakenteesta, jota kutsutaan talamuksen verkkomaiseksi ytimeksi (thalamic reticular nucleus, TRN), joka välittää signaaleja talamukseen ja sen jälkeen aivojen aivokuorelle aiheuttaen syvälle nukkumiselle ominaisten hitaiden, värähtelevien aivoaaltojen taskuja. Hitaita värähtelyjä esiintyy myös kooman ja yleisanestesian aikana, ja ne liittyvät vähentyneeseen heräämiseen. Kun TRN:n aktiivisuus on riittävää, nämä aallot voivat vallata koko aivot.
Tutkijat uskovat, että TRN voi auttaa aivoja lujittamaan uusia muistoja koordinoimalla hitaita aaltoja aivojen eri osien välillä, jolloin ne voivat jakaa tietoa helpommin.
”Unen aikana ehkä tietyillä aivoalueilla on samaan aikaan hitaita aaltoja, koska niiden täytyy vaihtaa tietoa keskenään, kun taas toisilla ei”, sanoo Laura Lewis, MIT:n aivo- ja kognitiotieteiden laitoksen tutkijasuhteen jäsen ja yksi uuden tutkimuksen johtavista kirjoittajista, joka ilmestyy tänään eLife-lehdessä.
TRN saattaa myös olla vastuussa siitä, mitä aivoissa tapahtuu, kun univajeiset ihmiset kokevat lyhyitä ”zoning outin” tuntemuksia kamppaillessaan pysyäkseen hereillä, tutkijat sanovat.
Lehden toinen ensimmäinen kirjoittaja on Jakob Voigts, MIT:n jatko-opiskelija aivo- ja kognitiotieteiden osastolla. Vanhemmat kirjoittajat ovat Emery Brown, MIT:n lääketieteellisen tekniikan ja laskennallisen neurotieteen Edward Hood Taplin -professori ja Massachusetts General Hospitalin anestesiologi, sekä Michael Halassa, New Yorkin yliopiston apulaisprofessori. Muut kirjoittajat ovat MIT:n tutkimusapulainen Francisco Flores ja Matthew Wilson, neurobiologian Sherman Fairchild -professori ja MIT:n Picower Institute for Learning and Memory -instituutin jäsen.
Lokaalinen ohjaus
Tähän asti suurin osa unitutkimuksesta on keskittynyt unen globaaliin ohjaukseen, joka tapahtuu, kun koko aivot ovat täynnä hitaita aaltoja, jotka ovat aivojen aktiivisuuden värähtelyjä, jotka syntyvät silloin, kun joukot neuroneja hiljennetään lyhyiksi ajanjaksoiksi.
Viimeaikaiset tutkimukset ovat kuitenkin osoittaneet, että univajeessa olevilla eläimillä voi esiintyä hitaita aaltoja aivojensa osissa, kun ne ovat vielä hereillä, mikä viittaa siihen, että aivot voivat ohjata vireystilaa myös paikallisella tasolla.
MIT:n tutkimusryhmä aloitti vireystilan tai uneliaisuuden paikallisen hallinnan tutkimisen TRN:llä, koska sen fyysisen sijainnin vuoksi se on täydellisessä asemassa, jotta se voisi toimia roolissa nukkumisessa, Lewis sanoo. TRN ympäröi talamusta kuin kuori ja voi toimia portinvartijana talamukseen saapuvalle aistitiedolle, joka sitten lähettää tiedon aivokuorelle jatkokäsittelyä varten.
Käyttämällä optogenetiikkaa, tekniikkaa, jonka avulla tutkijat voivat stimuloida tai hiljentää neuroneja valolla, tutkijat havaitsivat, että jos he stimuloivat heikosti TRN:ää hereillä olevissa hiirissä, hitaita aaltoja ilmaantui pieneen osaan aivokuorta. Kun stimulaatiota lisättiin, koko aivokuorella näkyi hitaita aaltoja.
”Havaitsimme myös, että kun näitä hitaita aaltoja saadaan aikaan koko aivokuorella, eläimet alkavat käyttäytyä kuin ne olisivat unessa. Ne lakkaavat liikkumasta, niiden lihasjänteys laskee”, Lewis sanoo.
Tutkijat uskovat, että TRN hienosäätää aivojen hallintaa paikallisilla aivoalueilla, tehostaen tai vähentäen hitaita aaltoja tietyillä alueilla, jotta nämä alueet voivat kommunikoida toistensa kanssa, tai indusoimalla joitain alueita muuttumaan vähemmän valppaana, kun aivot ovat hyvin uniset. Tämä saattaa selittää sen, mitä ihmisillä tapahtuu, kun he ovat univajeessa ja vaipuvat hetkellisesti vyöhykkeelle nukahtamatta oikeasti.
”Olen taipuvainen ajattelemaan, että näin tapahtuu, koska aivot alkavat siirtyä uneen, ja jotkin paikalliset aivoalueet muuttuvat uneliaiksi, vaikka pakottaisit itsesi pysymään hereillä”, Lewis sanoo.
”Tämän artikkelin vahvuus on se, että se on ensimmäinen, jossa optogenetiikan avulla yritetään eritellä osan thalamo-kuorikerroksen piirin roolia hitaiden aaltojen synnyttämisessä aivokuorella”, sanoo Washingtonin yliopiston anestesiologian ja kipulääketieteen professori Mark Opp, joka ei kuulunut tutkimusryhmään.
Luonnollinen uni ja yleisanestesia
Ymmärrys siitä, miten aivot kontrolloivat herätystä, voisi auttaa tutkijoita suunnittelemaan uusia uni- ja anestesialääkkeitä, jotka luovat luonnollista unta enemmän muistuttavan tilan. TRN:n stimuloiminen voi aiheuttaa syviä, ei-REM-tyyppisiä unitiloja, ja Brownin ja kollegoiden aiemmat tutkimukset paljastivat piirin, joka kytkee REM-unen päälle.
Brown lisää: ”TRN:ssä on runsaasti synapseja – aivojen yhteyksiä – jotka vapauttavat inhiboivaa välittäjäainetta GABAa. Siksi TRN on lähes varmasti monien anestesia-aineiden vaikutuskohde, kun otetaan huomioon, että suuret luokat niistä toimivat näissä synapseissa ja tuottavat hitaita aaltoja yhtenä ominaispiirteenään.”
Lewisin ja kollegoiden aiemmat työt ovat osoittaneet, että toisin kuin unen hitaat aallot, yleisanestesian hitaat aallot eivät ole koordinoituja, mikä viittaa mekanismiin, joka selittää, miksi nämä lääkkeet heikentävät informaation vaihtoa aivoissamme ja aikaansaavat tajuttomuuden.