Sleep is usually considered an all-or-nothing state: De hersenen zijn ofwel volledig wakker of volledig in slaap. Neurowetenschappers van het MIT hebben echter een hersencircuit ontdekt dat kleine delen van de hersenen kan aanzetten om in slaap te vallen of minder alert te worden, terwijl de rest van de hersenen wakker blijft.
Dit circuit vindt zijn oorsprong in een hersenstructuur die bekend staat als de thalamische reticulaire kern (TRN), die signalen doorgeeft aan de thalamus en vervolgens aan de hersenschors, waardoor zakken met de langzame, oscillerende hersengolven worden geïnduceerd die kenmerkend zijn voor diepe slaap. Trage oscillaties komen ook voor tijdens coma en algemene anesthesie, en worden geassocieerd met verminderde opwinding. Met genoeg TRN-activiteit kunnen deze golven de hele hersenen overnemen.
De onderzoekers geloven dat de TRN de hersenen kan helpen nieuwe herinneringen te consolideren door langzame golven tussen verschillende delen van de hersenen te coördineren, waardoor ze gemakkelijker informatie kunnen delen.
“Tijdens de slaap hebben misschien specifieke hersengebieden tegelijkertijd trage golven omdat ze informatie met elkaar moeten uitwisselen, terwijl andere dat niet doen,” zegt Laura Lewis, een onderzoeksmedewerker in MIT’s Department of Brain and Cognitive Sciences en een van de hoofdauteurs van de nieuwe studie, die vandaag verschijnt in het tijdschrift eLife.
De TRN kan ook verantwoordelijk zijn voor wat er gebeurt in de hersenen wanneer mensen met een slaaptekort kortstondige gevoelens van “zoning out” ervaren terwijl ze worstelen om wakker te blijven, zeggen de onderzoekers.
De andere eerste auteur van de paper is Jakob Voigts, een MIT afgestudeerde student in de hersenen en cognitieve wetenschappen. Senior auteurs zijn Emery Brown, de Edward Hood Taplin hoogleraar medische techniek en computationele neurowetenschappen aan het MIT en een anesthesist aan het Massachusetts General Hospital, en Michael Halassa, een assistent-professor aan de New York University. Andere auteurs zijn MIT-onderzoeksmedewerker Francisco Flores en Matthew Wilson, de Sherman Fairchild Professor in Neurobiologie en een lid van MIT’s Picower Institute for Learning and Memory.
Lokale controle
Tot nu toe heeft het meeste slaaponderzoek zich gericht op de globale controle van slaap, die optreedt wanneer de hele hersenen worden overspoeld met langzame golven – oscillaties van hersenactiviteit die worden gecreëerd wanneer sets van neuronen voor korte perioden het zwijgen worden opgelegd.
Recente studies hebben echter aangetoond dat dieren met slaaptekort langzame golven kunnen vertonen in delen van hun hersenen terwijl ze nog wakker zijn, wat suggereert dat de hersenen alertheid ook op lokaal niveau kunnen controleren.
Het MIT-team begon zijn onderzoek naar lokale controle van alertheid of slaperigheid met de TRN, omdat de fysieke locatie ervan het perfect in staat maakt om een rol te spelen in slaap, zegt Lewis. De TRN omgeeft de thalamus als een schil en kan fungeren als een poortwachter voor zintuiglijke informatie die de thalamus binnenkomt, die vervolgens informatie naar de cortex stuurt voor verdere verwerking.
Met behulp van optogenetica, een techniek die wetenschappers in staat stelt neuronen met licht te stimuleren of het zwijgen op te leggen, ontdekten de onderzoekers dat als ze de TRN bij wakkere muizen zwak stimuleerden, er langzame golven verschenen in een klein deel van de cortex. Bij meer stimulatie vertoonde de hele cortex trage golven.
“We ontdekten ook dat wanneer je deze trage golven in de cortex induceert, de dieren zich gaan gedragen alsof ze slaperig zijn. Ze zullen stoppen met bewegen, hun spierspanning zal dalen,” zegt Lewis.
De onderzoekers geloven dat de TRN de controle van de hersenen over lokale hersengebieden fijn afstemt, waardoor de langzame golven in bepaalde gebieden worden versterkt of verminderd, zodat die gebieden met elkaar kunnen communiceren, of waardoor sommige gebieden minder alert worden wanneer de hersenen erg slaperig zijn. Dit kan verklaren wat er bij mensen gebeurt als ze slaaptekort hebben en even wegzoeven zonder echt in slaap te vallen.
“Ik ben geneigd om te denken dat dat gebeurt omdat de hersenen beginnen over te gaan in slaap, en sommige lokale hersengebieden worden slaperig, zelfs als je jezelf dwingt om wakker te blijven,” zegt Lewis.
“De kracht van dit artikel is dat het de eerste is die optogenetica gebruikt om te proberen de rol van een deel van het thalamo-corticale circuit te ontleden in het genereren van trage golven in de cortex,” zegt Mark Opp, een professor in anesthesiologie en pijngeneeskunde aan de Universiteit van Washington die geen deel uitmaakte van het onderzoeksteam.
Natuurlijke slaap en algemene anesthesie
Inzicht in hoe de hersenen opwinding controleren zou onderzoekers kunnen helpen nieuwe slaap- en verdovingsmedicijnen te ontwerpen die een toestand creëren die meer lijkt op natuurlijke slaap. Het stimuleren van de TRN kan diepe, niet-REM-achtige slaaptoestanden opwekken, en eerder onderzoek van Brown en collega’s bracht een circuit aan het licht dat REM-slaap inschakelt.
Brown voegt daaraan toe: “De TRN is rijk aan synapsen – verbindingen in de hersenen – die de remmende neurotransmitter GABA vrijgeven. Daarom is de TRN bijna zeker een plaats van actie van veel verdovingsmedicijnen, gezien het feit dat een grote klassen van hen op deze synapsen inwerken en trage golven produceren als een van hun karakteristieke kenmerken.”
Vorig werk van Lewis en collega’s heeft aangetoond dat in tegenstelling tot de trage golven van de slaap, de trage golven onder algehele anesthesie niet gecoördineerd zijn, wat een mechanisme suggereert voor waarom deze drugs de informatie-uitwisseling in de hersenen belemmeren en bewusteloosheid produceren.