Sen jest zwykle uważany za stan typu wszystko albo nic: Mózg jest albo całkowicie obudzony, albo całkowicie śpiący. Jednak neuronaukowcy z MIT odkryli obwód mózgu, który może wyzwalać małe regiony mózgu, aby zasnąć lub stać się mniej czujnym, podczas gdy reszta mózgu pozostaje obudzona.
Obwód ten pochodzi ze struktury mózgu znanej jako jądro siatkowate wzgórza (TRN), które przekazuje sygnały do wzgórza, a następnie kory mózgowej, wywołując kieszenie powolnych, oscylujących fal mózgowych charakterystycznych dla głębokiego snu. Powolne oscylacje występują również podczas śpiączki i znieczulenia ogólnego, i są związane z obniżonym pobudzeniem. Przy wystarczającej aktywności TRN, fale te mogą przejąć cały mózg.
Badacze uważają, że TRN może pomóc mózgowi konsolidować nowe wspomnienia poprzez koordynację powolnych fal pomiędzy różnymi częściami mózgu, pozwalając im łatwiej dzielić się informacjami.
„Podczas snu, być może określone regiony mózgu mają wolne fale w tym samym czasie, ponieważ muszą wymieniać informacje ze sobą, podczas gdy inne nie”, mówi Laura Lewis, pracownik naukowy w MIT’s Department of Brain and Cognitive Sciences i jeden z głównych autorów nowego badania, które ukazało się dzisiaj w czasopiśmie eLife.
TRN może być również odpowiedzialny za to, co dzieje się w mózgu, gdy osoby pozbawione snu doświadczają krótkich odczuć „zoning out”, walcząc jednocześnie o zachowanie przytomności, twierdzą badacze.
Drugim pierwszym autorem pracy jest Jakob Voigts, student MIT na wydziale mózgu i nauk poznawczych. Starszymi autorami są Emery Brown, Edward Hood Taplin Professor of Medical Engineering and Computational Neuroscience na MIT i anestezjolog w Massachusetts General Hospital, oraz Michael Halassa, asystent profesora na New York University. Inni autorzy to Francisco Flores, współpracownik naukowy MIT, oraz Matthew Wilson, Sherman Fairchild Professor in Neurobiology, członek MIT’s Picower Institute for Learning and Memory.
Kontrola lokalna
Do tej pory większość badań nad snem koncentrowała się na globalnej kontroli snu, który występuje, gdy cały mózg jest zalany falami wolnymi – oscylacjami aktywności mózgu powstającymi, gdy zestawy neuronów są wyciszane na krótkie okresy.
Jednakże ostatnie badania wykazały, że zwierzęta pozbawione snu mogą wykazywać powolne fale w częściach mózgu, gdy są jeszcze obudzone, co sugeruje, że mózg może również kontrolować czujność na poziomie lokalnym.
Zespół MIT rozpoczął swoje badania nad lokalną kontrolą czujności lub senności od TRN, ponieważ jego fizyczna lokalizacja sprawia, że jest on doskonale przygotowany do odgrywania roli we śnie, mówi Lewis. TRN otacza wzgórze jak powłoka i może działać jako strażnik informacji sensorycznych wchodzących do wzgórza, które następnie wysyła informacje do kory mózgowej do dalszego przetwarzania.
Używając optogenetyki, techniki, która pozwala naukowcom stymulować lub wyciszać neurony za pomocą światła, badacze odkryli, że jeśli słabo stymulowali TRN u obudzonych myszy, powolne fale pojawiały się w małej części kory mózgowej. Przy większej stymulacji, cała kora wykazywała powolne fale.
„Stwierdziliśmy również, że kiedy wywołujesz te powolne fale w całej korze, zwierzęta zaczynają zachowywać się tak, jakby były senne. Przestają się ruszać, ich napięcie mięśniowe spada”, mówi Lewis.
Badacze wierzą, że TRN dostraja kontrolę mózgu nad lokalnymi regionami mózgu, wzmacniając lub redukując wolne fale w niektórych regionach, aby te obszary mogły komunikować się ze sobą, lub indukując niektóre obszary, aby stały się mniej czujne, gdy mózg jest bardzo senny. To może wyjaśnić, co dzieje się w ludzi, gdy są one pozbawione snu i chwilowo strefy bez naprawdę falling.
„Jestem skłonny myśleć, że dzieje się tak, ponieważ mózg zaczyna przechodzić do snu, a niektóre lokalne regiony mózgu stają się senny, nawet jeśli zmusić się do pozostania obudzony,” Lewis mówi.
„Siła tego artykułu polega na tym, że jest to pierwszy, który wykorzystuje optogenetykę do próby określenia roli części obwodu talamo-korowego w generowaniu powolnych fal w korze mózgowej”, mówi Mark Opp, profesor anestezjologii i medycyny bólu na Uniwersytecie w Waszyngtonie, który nie był częścią zespołu badawczego.
Naturalny sen i znieczulenie ogólne
Zrozumienie, w jaki sposób mózg kontroluje pobudzenie, może pomóc naukowcom zaprojektować nowe leki nasenne i znieczulające, które tworzą stan bardziej podobny do naturalnego snu. Stymulacja TRN może wywoływać głębokie, nie-REM-podobne stany snu, a poprzednie badania Browna i kolegów ujawniły obwód, który włącza sen REM.
Brown dodaje: „TRN jest bogaty w synapsy – połączenia w mózgu – które uwalniają hamujący neuroprzekaźnik GABA. Dlatego TRN jest prawie na pewno miejscem działania wielu leków znieczulających, biorąc pod uwagę, że wiele z nich działa na te synapsy i wytwarza fale wolne jako jedną ze swoich charakterystycznych cech.”
Wcześniejsze prace Lewisa i współpracowników wykazały, że w przeciwieństwie do fal wolnych podczas snu, fale wolne w znieczuleniu ogólnym nie są skoordynowane, co sugeruje mechanizm, dlaczego leki te upośledzają wymianę informacji w mózgu i powodują utratę przytomności.