„Byla to doslova pravda: prožíval jsem život ve spánku. Moje tělo nemělo o nic víc citu než utopená mrtvola. Samotná moje existence, můj život na světě, mi připadal jako halucinace. Při silném větru jsem si myslel, že mé tělo bude odneseno na konec světa, do nějaké země, kterou jsem nikdy neviděl ani o ní neslyšel, kde se má mysl a tělo navždy oddělí.“
-Z knihy Spánek, Haruki Murakami, 1989
Všichni jsme to zažili. Lehnete si do postele, zavřete oči, přikryjete svou mysl a čekáte, až vědomí odezní. O bezčasový interval později se probudíte, osvěženi a připraveni čelit výzvám nového dne (všimněte si, jak se nikdy nemůžete přistihnout při ztrátě vědomí!). Někdy však váš vnitřní svět nevypne – vaše mysl zůstává hyperaktivní. Házíte sebou, ale nemůžete najít požehnanou úlevu spánku. Příčin nespavosti může být mnoho, ale důsledky jsou vždy stejné: následující den jste unavení, chce se vám spát, podřimujete. Pozornost bloudí, vaše reakční doba se zpomaluje, hůře ovládáte kognitivně-emocionální funkce. Naštěstí je únava vratná a mizí po jedné nebo dvou nocích vydatného spánku.
Přibližně třetinu života trávíme ve stavu odpočinku, který je definován relativní nehybností chování a sníženou reaktivitou na vnější podněty. Kumulativně to představuje několik desetiletí spánku za celý život průměrného člověka. Ach, vím, že si říkáte: Nebylo by skvělé, kdybychom tento „promarněný“ čas zkrátili, abychom mohli dělat více! Když jsem byl mladší, také jsem se řídil heslem „Spát můžeš, až budeš mrtvý“. Ale probudil jsem se a uvědomil si, že pro optimální a dlouhodobé tělesné i duševní zdraví spánek potřebujeme.
Tuto potřebu každodenního spánku sdílí člověk se všemi mnohobuněčnými tvory, jak ví každý, kdo vyrůstal se psy, kočkami nebo jinými domácími zvířaty.
Pochopení významu spánku lze pozorovat při zamyšlení nad samotným biologickým procesem. Spánek je homeostaticky regulován s vynikající přesností: tlak na spánek se během dne stupňuje, až se večer cítíme ospalí, nepřetržitě zíváme a přikývneme. Pokud jsou lidé zbaveni spánku, pociťují neodolatelnou potřebu vyhledávat odpočinek – stávají se vlastně „spánkově opilými“. Starší termín z 19. století, který je blíže pravdě, zní „mozkové vyčerpání“ – mozek se dožaduje odpočinku.
V minulém sloupku Consciousness Redux jsem popsal, jak lékaři definují spánek pomocí záznamu mozkových vln ze sítě elektroencefalogramových (EEG) čidel umístěných na skalpu spícího . Stejně jako mořská hladina je i elektrický mozek v neustálém rozruchu, který odráží neviditelné, drobné záchvěvy v mozkové kůře pod lebkou, jež jsou zachyceny elektrodami EEG. Spánek s rychlými pohyby očí (REM) se vyznačuje nízkonapěťovými, neklidnými, rychle se měnícími mozkovými vlnami (paradoxně typickými i pro uvolněnou bdělost), zatímco pro spánek mimo REM jsou charakteristické pomalu stoupající a klesající vlny s větší amplitudou. Čím hlubší a klidnější je totiž spánek, tím pomalejší a větší jsou vlny, které odrážejí nečinnou, regenerační činnost mozku. Tyto napěťové oscilace, označované jako delta vlny, mohou být pomalé až jednou za čtyři sekundy a rychlé až čtyřikrát za sekundu (tj. v rozsahu frekvencí 0,25 až čtyři herce). Naladění výbojů jednotlivých neuronů během hlubokého spánku odhaluje diskrétní období vypnutí, kdy nervové buňky přestanou generovat jakoukoli elektrickou aktivitu na 300 až 400 milisekund. Takové opakující se periody ticha, synchronizované ve velkých částech mozkové kůry, jsou buněčným znakem hlubokého spánku.
Mikrospánek
Můj minulý sloupek „Spát s polovinou mozku“ upozornil na rostoucí uvědomění výzkumníků spánku, že bdění a spánek nejsou jevy typu „všechno nebo nic“. To, že spíte, nemusí nutně znamenat, že spí celý váš mozek. Naopak, jak nyní popíšu, jsme se také dozvěděli, že i když jste vzhůru, nemusí být vzhůru celý váš mozek.
Případem, kdy spánek zasahuje do bdělosti, jsou krátké epizody spánku známé jako mikrospánek. Tyto intervaly se mohou objevit během jakékoli monotónní činnosti, ať už jde o jízdu na dlouhou vzdálenost napříč zemí, poslouchání hloučku řečníků nebo účast na další nekonečné poradě na oddělení. Jste ospalí, oči se vám klíží, víčka se zavírají, hlava se opakovaně kýve nahoru a dolů a pak se zvedá: vaše vědomí se vytrácí.
V jednom experimentu, který se snažil tento stav prozkoumat, museli účastníci po dobu 50 minut sledovat náhodně se pohybující cíl na monitoru počítače pomocí joysticku. Tento vizuomotorický úkol je sice přímočarý, ale vyžaduje nepřetržitou pozornost, kterou je po určité době obtížné udržet. Účastníci měli v průměru 79 epizod mikrospánku za hodinu, přičemž každá z nich trvala 1,1 až 6,3 sekundy, což vedlo k poklesu výkonu. Mikrospánek se v záznamu EEG projevuje sestupným posunem od aktivity, které dominuje pásmo alfa (rozsah 8 až 13 Hz), k oscilacím v pásmu theta (4 až 7 Hz).
Podstatné je, že účastníci se obvykle domnívají, že jsou během mikrospánku neustále bdělí, aniž by si vzpomněli na nějaké období bezvědomí. Tato mylná představa může být nebezpečná pro někoho, kdo sedí na místě řidiče. Mikrospánek může být osudný při řízení nebo obsluze strojů, jako jsou vlaky nebo letadla, hodinu po únavné hodině. Během epizody mikrospánku na krátkou dobu usne celý mozek, což vyvolává otázku, zda mohou kousky mozku samy o sobě usnout, aniž by celý orgán podlehl spánku.
Neurologové italského původu Chiara Cirelliová a Giulio Tononi, kteří studují spánek a vědomí na Wisconsinské univerzitě v Madisonu, objevili u pokusných zvířat „ospalé neurony“, které nevykazovaly žádné behaviorální projevy spánku. V rámci tohoto výzkumu byly 11 dospělým potkanům implantovány mikrodráty do čelní motorické kůry, která řídí pohyb. Senzory zavedené do korové tkáně snímaly kromě napěťové aktivity blízkých nervových buněk také napětí zvané lokální potenciál pole (LFP), což je obdoba EEG. Jak se dalo očekávat, v bdělém stavu převládaly v LFP rychlé vlny s nízkou amplitudou, které byly snadno odlišitelné od větších a pomalejších vln charakteristických pro hluboký spánek bez REM .
Na úrovni jednotlivých neuronů si korové buňky bdělých zvířat po delší dobu povídaly nepravidelným, staccatovým způsobem. Naopak během hlubokého spánku zažívaly korové neurony výrazná období „zapnuté“ neuronální aktivity a období „vypnuté“, během nichž mlčely. Tato neuronální zdrženlivost se vyskytuje současně v celé kůře. Střídá se s pravidelnými obdobími zapnutí, což vede k vzestupným a klesajícím mozkovým vlnám, které jsou charakteristickým znakem hlubokého spánku.
Vědouce toto vše, rozhodli se vědci zkoumat dále. Místo toho, aby nechali potkany spát v obvyklou dobu, kdy chodí spát, zapojili experimentátoři zvířata do hlodavčí verze nočních videoher a neustále jim vystavovali hračky a další předměty, které mohly očichávat, zkoumat a hrát si s nimi. Poklepávali na klec a jinak jim bránili zaujmout spánkovou polohu nebo usnout. Po čtyřech hodinách takového vzrušení mohli potkani konečně usnout.
Jak se dalo očekávat na základě předchozích studií na zvířatech a lidech, ke konci fáze spánkové deprivace se LFP začal posouvat k nižším frekvencím, což je v souladu s myšlenkou, že tlak na zvířata, aby usnula, se neustále stupňoval. Bližší zkoumání elektrických signatur však odhalilo něco nečekaného: občasná, sporadická, tichá období všech nebo většiny neuronů v zaznamenané oblasti mozku, aniž by zvířata vykazovala behaviorální nebo EEG projevy mikrospánku. Tyto krátké epizody podobné vypnutí byly často spojeny s pomalými vlnami v LFP. Opačná situace nastala během zotavovacího spánku, ke konci tohoto šestihodinového období, kdy tlak na spánek pravděpodobně polevil. V tomto okamžiku se velké a pomalé vlny v LFP začaly vyskytovat vzácněji a aktivita neuronů se stala nepravidelnější, stejně jako během bdění.
Zdá se, že když jsou neurony bdělé, ale nevyspalé, vykazují známky ospalosti, zatímco po hodinách pevného spánku se jednotlivé neurony začnou probouzet. Pečlivá statistická analýza tyto trendy potvrdila: během čtyř hodin, kdy byli potkani nuceni zůstat vzhůru, se počet období vypnutí zvýšil a během zotavovacího spánku došlo k opačné dynamice.
Jednou z otázek bylo, zda některý neuron usnul nezávisle na jiném neuronu. Nebo byl tento výskyt spíše globálním jevem, kdy všechny neurony současně přecházejí do období vypnutí? Odpověď, získaná implantací druhého pole mikrodrátů do druhé korové oblasti – parietální kůry, zcela odlišné oblasti od motorické kůry – byla „ano“ na obě otázky.
Klikněte nebo klepněte pro zvětšení
To znamená, že někdy neurony v obou oblastech zhasly společně, zatímco jindy tak učinily nezávisle na sobě. Přesto se s narůstajícím spánkovým tlakem, po několika hodinách udržování bdělosti, aktivita neuronů během spánkové deprivace skutečně globálněji synchronizovala (stejně jako v hlubokém spánku). Stejně tak čím déle zvíře v období zotavení spalo, tím méně pravděpodobné bylo, že pomalé vlny budou detekovány současně na obou korových místech. Skupiny neuronů mohou být snadněji rekrutovány k produkci pomalých oscilací, které tvoří hluboký spánek, když je spánkový tlak vysoký.
Tyto výsledky vykreslují diferencovanější pohled na bdění a spánek než ten převládající, v němž byly oba stavy považovány za globální stavy vědomí typu „vše nebo nic“. Místo toho tyto údaje, podpořené záznamy jednotlivých neuronů od pacientů s implantovanými mikroelektrodami, jak se občas používají při léčbě epilepsie, naznačují, že i když je subjekt vzhůru, neurony jedince mohou být unavené a občas se odhlásit. Čím větší je spánkový tlak, tím je pravděpodobnější, že k tomu dojde současně na mnoha místech kůry. Naopak po mnoha hodinách klidného spánku se některé z těchto neuronů od těchto oscilací v celém mozku odpojí a začnou se probouzet.
Ale nemělo by při vypnutí neuronů během spánkové deprivace dojít k určitému zhoršení výkonnosti? Tyto neurony přece musí sloužit nějakému účelu, a pokud usnou, mělo by tím něco utrpět. Aby tuto otázku prozkoumali, Cirelli, Tononi a jejich spolupracovníci cvičili potkany, aby se jednou z předních tlapek protáhli úzkým otvorem a uchopili cukrovou granuli na polici. Pokud to udělají nešikovně, peleta spadne a už ji nelze získat.
Při učení tohoto úkolu se zapojuje určitý sektor motorické kůry, který v důsledku tréninku prochází změnami. Pátráním po vypnutých periodách, kdy se zvíře natahuje po sladkosti, vyšetřovatelé zjistili, že tyto mezery ve vypalování neuronů se častěji objevují v motorické kůře zlomek sekundy před neúspěšným pokusem o uchopení pelety ve srovnání s okamžikem, kdy potkan úspěšně sebral sladkou pochoutku. Výskyt jediné přestávky totiž snižoval pravděpodobnost úspěšného pokusu o více než třetinu. Tyto účinky byly omezeny na motorickou kůru a nebyly pozorovány v parietální kůře, která není zapojena do úkolu dosahování. S narůstající spánkovou deprivací se celkový výkon zvířat zhoršoval, což je typické i pro lidi trpící spánkovou deprivací.
Místní spánek
Tato studie objevila existenci místního spánku během spánkové deprivace: izolované korové skupiny neuronů, které na krátkou dobu vypadnou z provozu, zatímco zvíře se podle všech vnějších projevů nadále pohybuje a dělá to, co dělá. K lokálnímu vypnutí dochází s větší pravděpodobností, pokud jsou tyto neurony aktivně zapojeny, jako je tomu při učení se uchopit cukrovou granuli. I neurony se unaví a odpojí, což je mikrokosmos toho, co se děje s celým organismem.
Extrapolací z těchto údajů se zdá být pravděpodobné, že s rostoucím tlakem na spánek se zvyšuje frekvence těchto vypnutí a jejich převaha v mozkové kůře, až se aktivita v celém mozku náhle, ale nakrátko synchronizuje a mozek upadne do hlubokého spánku – oči se zavřou a hlava kývne. Subjekt vstoupí do mikrospánku.
Spánek je fascinující téma, i když hluboký spánek nemůžeme vědomě zažít, protože naše vědomí je vypnuté. Spánek je jemně regulovaný aspekt denního cyklu našeho mozku, stejně jako východ a západ slunce, stav, jehož funkce zůstává kontroverzní.
V průběhu minulého století objevili lékaři a neurovědci různé fáze spánku (rychlé oční pohyby a nerychlé oční pohyby) a odlišné oblasti středního mozku a mozkového kmene, které se podílejí na jejich řízení. Navíc tito vědci demystifikovali narkolepsii, kdy pacienti náhle a neodolatelně usínají, mikrospánek a nyní i lokální spánek. Co bude následovat?