Sömn brukar betraktas som ett allt eller inget-tillstånd: Hjärnan är antingen helt vaken eller helt sovande. Neurovetenskapsmän från MIT har dock upptäckt en hjärnkrets som kan utlösa att små regioner i hjärnan somnar eller blir mindre alerta, medan resten av hjärnan förblir vaken.
Kretsen har sitt ursprung i en hjärnstruktur som kallas thalamiska retikulära kärnan (TRN), som vidarebefordrar signaler till thalamus och sedan till hjärnans hjärnbark, och som framkallar fickor av de långsamma, oscillerande hjärnvågorna som är karakteristiska för djup sömn. Långsamma svängningar förekommer också under koma och allmän anestesi och är förknippade med minskad vakenhet. Med tillräcklig TRN-aktivitet kan dessa vågor ta över hela hjärnan.
Forskarna tror att TRN kan hjälpa hjärnan att konsolidera nya minnen genom att samordna långsamma vågor mellan olika delar av hjärnan, så att de lättare kan dela information.
”Under sömnen kanske specifika hjärnregioner har långsamma vågor samtidigt eftersom de behöver utbyta information med varandra, medan andra regioner inte behöver det”, säger Laura Lewis, forskarassistent vid MIT:s institution för hjärn- och kognitionsvetenskap och en av huvudförfattarna till den nya studien, som i dag publiceras i tidskriften eLife.
TRN kan också vara ansvarig för vad som händer i hjärnan när sömnbristande personer upplever korta känslor av ”zoning out” samtidigt som de kämpar för att hålla sig vakna, säger forskarna.
Artikelns andra förstaförfattare är Jakob Voigts, en MIT-studerande i hjärn- och kognitionsvetenskap. Huvudförfattare är Emery Brown, Edward Hood Taplin Professor of Medical Engineering and Computational Neuroscience vid MIT och anestesiolog vid Massachusetts General Hospital, och Michael Halassa, biträdande professor vid New York University. Andra författare är Francisco Flores, forskare vid MIT, och Matthew Wilson, Sherman Fairchild-professor i neurobiologi och medlem av Picower Institute for Learning and Memory vid MIT.
Lokal kontroll
Det mesta av sömnforskningen har hittills fokuserat på den globala kontrollen av sömnen, som sker när hela hjärnan är översvämmad av långsamma vågor – svängningar i hjärnans aktivitet som skapas när uppsättningar av neuroner tystas under korta perioder.
Närvarande studier har dock visat att sömnlösa djur kan uppvisa långsamma vågor i delar av hjärnan medan de fortfarande är vakna, vilket tyder på att hjärnan också kan styra vakenhet på lokal nivå.
MIT-teamet inledde sin undersökning av lokal styrning av vakenhet eller sömnighet med TRN, eftersom dess fysiska placering gör att den är perfekt positionerad för att spela en roll i sömnen, säger Lewis. TRN omger thalamus som ett skal och kan fungera som en portvakt för sensorisk information som kommer in i thalamus, som sedan skickar information till hjärnbarken för vidare bearbetning.
Med hjälp av optogenetik, en teknik som gör det möjligt för forskare att stimulera eller tysta neuronerna med hjälp av ljus, fann forskarna att om de svagt stimulerade TRN hos vakna möss, dök det upp långsamma vågor i en liten del av hjärnbarken. Med mer stimulering uppträdde långsamma vågor i hela hjärnbarken.
”Vi fann också att när man framkallar dessa långsamma vågor i hjärnbarken börjar djuren beteendemässigt bete sig som om de är sömniga. De slutar att röra sig, deras muskeltonus sjunker”, säger Lewis.
Forskarna tror att TRN finjusterar hjärnans kontroll över lokala hjärnregioner, förstärker eller minskar de långsamma vågorna i vissa regioner så att dessa områden kan kommunicera med varandra, eller inducerar att vissa områden blir mindre alerta när hjärnan är mycket sömnig. Detta kan förklara vad som händer hos människor när de är sömnlösa och tillfälligt slumrar till utan att egentligen somna.
”Jag är benägen att tro att det händer eftersom hjärnan börjar övergå till sömn och vissa lokala hjärnregioner blir sömniga även om man tvingar sig själv att hålla sig vaken”, säger Lewis.
”Styrkan med den här artikeln är att den är den första som använder optogenetik för att försöka dissekera rollen för en del av det thalamo-kortikala kretsloppet när det gäller att generera långsamma vågor i hjärnbarken”, säger Mark Opp, professor i anestesiologi och smärtmedicin vid University of Washington, som inte ingick i forskargruppen.
Naturlig sömn och allmän anestesi
En förståelse för hur hjärnan kontrollerar upphetsning kan hjälpa forskarna att utforma nya sömn- och anestesimediciner som skapar ett tillstånd som mer liknar den naturliga sömnen. Stimulering av TRN kan framkalla djupa, icke-REM-liknande sömntillstånd, och tidigare forskning av Brown och kollegor avslöjade en krets som aktiverar REM-sömn.
Brown tillägger: ”TRN är rik på synapser – förbindelser i hjärnan – som släpper ut den hämmande neurotransmittorn GABA. Därför är TRN nästan säkert en plats där många bedövningsmedel verkar, med tanke på att en stor klass av dem verkar på dessa synapser och producerar långsamma vågor som ett av sina karakteristiska kännetecken.”
Premiärt arbete av Lewis och kollegor har visat att till skillnad från de långsamma vågorna i sömnen är de långsamma vågorna under allmän anestesi inte koordinerade, vilket tyder på en mekanism för varför dessa läkemedel försämrar informationsutbytet i hjärnan och producerar medvetslöshet.