Az alvást általában egy mindent vagy semmit állapotnak tekintik: Az agy vagy teljesen ébren van, vagy teljesen alszik. Az MIT idegtudósai azonban felfedeztek egy olyan agyi áramkört, amely képes az agy kis régióit arra késztetni, hogy elaludjanak vagy kevésbé legyenek éberek, miközben az agy többi része ébren marad.
Ez az áramkör a talamusz retikuláris magja (TRN) nevű agyi struktúrából ered, amely jeleket továbbít a talamuszhoz, majd az agykéreghez, és a mély alvásra jellemző lassú, oszcilláló agyhullámok zugait idézi elő. A lassú oszcillációk a kóma és az általános érzéstelenítés során is előfordulnak, és csökkent éberséggel járnak. Elegendő TRN-aktivitás esetén ezek a hullámok átvehetik az egész agyat.
A kutatók úgy vélik, hogy a TRN segíthet az agynak az új emlékek megszilárdításában azáltal, hogy koordinálja a lassú hullámokat az agy különböző részei között, így azok könnyebben meg tudják osztani az információkat.
“Alvás közben talán bizonyos agyi régiókban egyszerre vannak lassú hullámok, mert információcserére van szükségük egymással, míg másoknak nincs” – mondja Laura Lewis, az MIT Agy- és Kognitív Tudományok Tanszékének munkatársa, az eLife folyóiratban ma megjelent új tanulmány egyik vezető szerzője.
A TRN lehet felelős azért is, ami az agyban történik, amikor az alváshiányos emberek az ébren maradásért küzdve rövid ideig a “zoning out” érzését tapasztalják, mondják a kutatók.
A tanulmány másik első szerzője Jakob Voigts, az MIT agy- és kognitív tudományok területén végzett hallgatója. A vezető szerzők Emery Brown, az MIT orvosi mérnöki és számítógépes idegtudományok Edward Hood Taplin professzora és a Massachusetts General Hospital aneszteziológusa, valamint Michael Halassa, a New York University adjunktusa. További szerzők Francisco Flores, az MIT munkatársa és Matthew Wilson, az MIT Neurobiológia Sherman Fairchild professzora, az MIT Picower Institute for Learning and Memory munkatársa.
Lokális kontroll
A legtöbb alváskutatás eddig az alvás globális kontrolljára összpontosított, ami akkor történik, amikor az egész agyat elárasztják a lassú hullámok – az agyi aktivitás oszcillációi, amelyek akkor jönnek létre, amikor neuroncsoportok rövid időre elhallgatnak.
A legújabb tanulmányok azonban kimutatták, hogy az alváshiányos állatok lassú hullámokat mutathatnak agyuk egyes részein, miközben még ébren vannak, ami arra utal, hogy az agy helyi szinten is képes az éberséget irányítani.
Az MIT csapata az éberség vagy az álmosság helyi irányításának vizsgálatát a TRN-nel kezdte, mert annak fizikai elhelyezkedése miatt tökéletesen alkalmas arra, hogy szerepet játsszon az alvásban, mondja Lewis. A TRN burokként veszi körül a talamuszt, és kapuőrként működhet a talamuszba érkező érzékszervi információk számára, amely aztán továbbítja az információkat a kéregbe további feldolgozásra.
A kutatók az optogenetikát használva – egy olyan technikát, amely lehetővé teszi a tudósok számára, hogy fénnyel stimulálják vagy elnémítsák az idegsejteket – azt találták, hogy ha éber egerekben gyengén stimulálják a TRN-t, lassú hullámok jelennek meg a kéreg egy kis részén. Nagyobb stimulációval az egész kéregben lassú hullámok jelentek meg.
“Azt is megállapítottuk, hogy amikor ezeket a lassú hullámokat az egész kéregben előidézzük, az állatok viselkedésükben úgy kezdenek el viselkedni, mintha álmosak lennének. Abbahagyják a mozgást, az izomtónusuk csökken” – mondja Lewis.
A kutatók úgy vélik, hogy a TRN finomhangolja az agy helyi agyi régiók feletti irányítást, fokozza vagy csökkenti a lassú hullámokat bizonyos régiókban, hogy ezek a területek kommunikálni tudjanak egymással, vagy egyes területeket arra késztet, hogy kevésbé legyenek éberek, amikor az agy nagyon álmos. Ez magyarázatot adhat arra, hogy mi történik az emberekben, amikor alváshiányban szenvednek, és pillanatnyilag elalszanak anélkül, hogy valóban elaludnának.
“Hajlamos vagyok azt gondolni, hogy ez azért történik, mert az agy elkezd átmenni az alvásba, és egyes helyi agyi régiók álmossá válnak, még akkor is, ha kényszerítjük magunkat, hogy ébren maradjunk” – mondja Lewis.
“Ennek a tanulmánynak az az erőssége, hogy ez az első, amely optogenetikával próbálja feltárni a thalamo-kérgi áramkör egy részének szerepét a lassú hullámok generálásában az agykéregben” – mondja Mark Opp, a Washingtoni Egyetem aneszteziológiai és fájdalomgyógyászati professzora, aki nem volt tagja a kutatócsoportnak.
A természetes alvás és az általános érzéstelenítés
Az agynak az ébredés szabályozásának megismerése segíthet a kutatóknak olyan új alvás- és altatószerek tervezésében, amelyek a természetes alváshoz jobban hasonlító állapotot hoznak létre. A TRN ingerlése mély, nem REM-szerű alvási állapotokat idézhet elő, és Brown és munkatársai korábbi kutatásai feltártak egy olyan áramkört, amely bekapcsolja a REM-alvást.
Brown hozzáteszi: “A TRN gazdag szinapszisokban – az agyban lévő kapcsolatokban -, amelyek a GABA gátló neurotranszmittert szabadítják fel. Ezért a TRN szinte biztosan számos altatószer egyik hatáshelye, tekintve, hogy ezek nagy osztálya ezeken a szinapszisokon hat, és lassú hullámokat produkál egyik jellegzetes tulajdonságaként.”
Lewis és munkatársai korábbi munkái kimutatták, hogy az alvás lassú hullámaitól eltérően az általános érzéstelenítés alatti lassú hullámok nem koordináltak, ami egy olyan mechanizmusra utal, amely alapján ezek a gyógyszerek károsítják az információcserét az agyban és eszméletvesztést okoznak.