Somnul este de obicei considerat o stare de totul sau nimic: Creierul este fie complet treaz, fie complet adormit. Cu toate acestea, neuroștiințele de la MIT au descoperit un circuit cerebral care poate declanșa regiuni mici ale creierului să adoarmă sau să devină mai puțin alerte, în timp ce restul creierului rămâne treaz.
Acest circuit își are originea într-o structură cerebrală cunoscută sub numele de nucleul reticular talamic (TRN), care transmite semnale către talamus și apoi către cortexul creierului, inducând buzunare de unde cerebrale lente, oscilante, caracteristice somnului profund. Oscilațiile lente apar, de asemenea, în timpul comei și al anesteziei generale și sunt asociate cu scăderea stării de trezire. Cu o activitate TRN suficientă, aceste unde pot prelua controlul întregului creier.
Cercetătorii cred că TRN poate ajuta creierul să consolideze noi amintiri prin coordonarea undelor lente între diferite părți ale creierului, permițându-le să împărtășească mai ușor informațiile.
„În timpul somnului, poate că anumite regiuni ale creierului au unde lente în același timp, deoarece trebuie să facă schimb de informații între ele, în timp ce altele nu”, spune Laura Lewis, cercetător afiliat la Departamentul de Științe ale Creierului și Științe Cognitive al MIT și unul dintre autorii principali ai noului studiu, care apare astăzi în revista eLife.
RTN ar putea fi, de asemenea, responsabil pentru ceea ce se întâmplă în creier atunci când persoanele private de somn experimentează scurte senzații de „zonare” în timp ce se străduiesc să rămână treji, spun cercetătorii.
Celălalt prim autor al lucrării este Jakob Voigts, un student absolvent al MIT în domeniul științelor cerebrale și cognitive. Principalii autori sunt Emery Brown, profesor Edward Hood Taplin de inginerie medicală și neuroștiințe computaționale la MIT și anestezist la Massachusetts General Hospital, și Michael Halassa, profesor asistent la New York University. Alți autori sunt Francisco Flores, afiliat de cercetare la MIT, și Matthew Wilson, profesor Sherman Fairchild de neurobiologie și membru al Institutului Picower pentru Învățare și Memorie de la MIT.
Control local
Până acum, majoritatea cercetărilor privind somnul s-au concentrat pe controlul global al somnului, care apare atunci când întregul creier este inundat de unde lente – oscilații ale activității cerebrale create atunci când seturi de neuroni sunt reduse la tăcere pentru perioade scurte de timp.
Cu toate acestea, studii recente au arătat că animalele private de somn pot prezenta unde lente în părți ale creierului lor în timp ce sunt încă treze, sugerând că creierul poate controla vigilența și la nivel local.
Echipa MIT și-a început investigația privind controlul local al vigilenței sau somnolenței cu TRN, deoarece locația sa fizică îl face să fie perfect poziționat pentru a juca un rol în somn, spune Lewis. TRN înconjoară talamusul ca un înveliș și poate acționa ca un gardian pentru informațiile senzoriale care intră în talamus, care apoi trimite informațiile către cortex pentru procesare ulterioară.
Utilizând optogenetica, o tehnică care permite oamenilor de știință să stimuleze sau să reducă la tăcere neuronii cu ajutorul luminii, cercetătorii au descoperit că, dacă au stimulat slab TRN la șoarecii treji, au apărut unde lente într-o mică parte a cortexului. Cu o stimulare mai mare, întregul cortex a prezentat unde lente.
„Am descoperit, de asemenea, că atunci când induceți aceste unde lente în tot cortexul, animalele încep să se poarte comportamental ca și cum ar fi somnoroase. Nu se vor mai mișca, tonusul muscular va scădea”, spune Lewis.
Cercetătorii cred că TRN reglează fin controlul creierului asupra regiunilor locale ale creierului, îmbunătățind sau reducând undele lente în anumite regiuni, astfel încât aceste zone să poată comunica între ele, sau inducând unele zone să devină mai puțin alerte atunci când creierul este foarte somnolent. Acest lucru ar putea explica ceea ce se întâmplă la oameni atunci când sunt lipsiți de somn și se adorm momentan fără să adoarmă cu adevărat.
„Sunt înclinat să cred că acest lucru se întâmplă deoarece creierul începe să facă tranziția spre somn, iar unele regiuni locale ale creierului devin somnoroase chiar dacă vă forțați să rămâneți treji”, spune Lewis.
„Punctul forte al acestei lucrări este că este prima care folosește optogenetica pentru a încerca să disece rolul unei părți a circuitului talamo-cortical în generarea undelor lente în cortex”, spune Mark Opp, profesor de anesteziologie și medicină a durerii la Universitatea din Washington, care nu a făcut parte din echipa de cercetare.
Somnul natural și anestezia generală
Înțelegerea modului în care creierul controlează trezirea ar putea ajuta cercetătorii să conceapă noi medicamente pentru somn și anestezie care să creeze o stare mai asemănătoare cu somnul natural. Stimularea TRN poate induce stări de somn profund, care nu seamănă cu somnul REM, iar cercetările anterioare ale lui Brown și ale colegilor au descoperit un circuit care activează somnul REM.
Brown adaugă: „TRN este bogat în sinapse – conexiuni în creier – care eliberează neurotransmițătorul inhibitor GABA. Prin urmare, TRN este aproape sigur un loc de acțiune al multor medicamente anestezice, având în vedere că o mare clasă dintre acestea acționează la aceste sinapse și produc unde lente ca una dintre trăsăturile lor caracteristice.”
Lucrările anterioare ale lui Lewis și ale colegilor au arătat că, spre deosebire de undele lente ale somnului, undele lente sub anestezie generală nu sunt coordonate, sugerând un mecanism pentru care aceste medicamente afectează schimbul de informații în creier și produc inconștiență.