”Se oli kirjaimellisesti totta: kävin läpi elämäni nukkuen. Kehossani ei ollut enempää tuntoa kuin hukkuneella ruumiilla. Itse olemassaoloni, elämäni maailmassa, tuntui hallusinaatiolta. Voimakas tuuli sai minut luulemaan, että ruumiini aiottiin viedä maailman ääriin, johonkin maahan, jota en ollut koskaan nähnyt tai kuullutkaan, jossa mieleni ja ruumiini eroaisivat toisistaan ikuisiksi ajoiksi.”
-Kirjasta Sleep, Haruki Murakami, 1989
Me kaikki olemme kokeneet sen. Menet sänkyyn, suljet silmäsi, peität mielesi ja odotat tajunnan hiipumista. Ajatonta väliä myöhemmin heräät virkeänä ja valmiina kohtaamaan uuden päivän haasteet (huomaa, ettet koskaan saa itseäsi kiinni tajunnan menettämisestä!). Mutta joskus sisäinen maailmasi ei sammu – mielesi pysyy ylivalppaana. Pyörii ja pyörii, mutta ei löydä unen siunaamaa helpotusta. Syitä unettomuuteen voi olla monia, mutta seuraukset ovat aina samat: olet väsynyt seuraavana päivänä, tunnet itsesi uneliaaksi, torkut. Huomio harhailee, reaktioaikasi hidastuu, kognitiivis-emotionaalinen kontrolli heikkenee. Onneksi väsymys on palautuvaa ja häviää parin yön kestävän unen jälkeen.
Vietämme noin kolmanneksen elämästämme lepotilassa, jota määrittelee suhteellinen käyttäytymisen liikkumattomuus ja heikentynyt reagointikyky ulkoisiin ärsykkeisiin. Kumulatiivisesti tämä tarkoittaa useita vuosikymmeniä kestävää unta keskivertoihmisen elinaikana. Tiedän, että ajattelet: Eikö olisi hienoa, jos voisimme vähentää tätä ”hukkaan heitettyä” aikaa, jotta voisimme tehdä enemmän! Kun olin nuorempi, minäkin elin mottona ”Voit nukkua, kun olet kuollut”. Mutta olen herännyt siihen, että optimaalisen, pitkäaikaisen fyysisen ja psyykkisen terveyden saavuttamiseksi tarvitsemme unta.
Ihmiset jakavat tämän päivittäisen unen tarpeen kaikkien monisoluisten olentojen kanssa, kuten kaikki koirien, kissojen tai muiden lemmikkieläinten kanssa kasvaneet tietävät.
Ymmärrystä unen merkityksestä voi havainnoida pohtimalla itse biologista prosessia. Uni on hienolla tarkkuudella homeostaattisesti säädeltyä: paine nukkumaanmenoon kasvaa päivän mittaan, kunnes illalla tunnemme itsemme väsyneiksi, haukottelemme jatkuvasti ja nukahdamme. Jos ihminen jää vaille unta, hänellä on lopulta vastustamaton tarve hakeutua lepäämään – hänestä tulee itse asiassa ”unihumalassa”. Vanhempi, 1800-luvulta peräisin oleva termi, joka on lähempänä totuutta, on ”aivoväsymys”, jolloin aivot vaativat lepoa.
Viimeisimmässä Consciousness Redux -palstallani kuvasin, miten lääkärit määrittelevät unen tallentamalla aivoaaltoja elektroenkefalogrammiantureiden (EEG) verkosta, joka on sijoitettu nukkujan päänahkaan. Kuten merenpinta, sähköiset aivot ovat lakkaamatta liikkeessä, heijastaen näkymättömiä, pieniä värinöitä kallon alla olevassa aivokuoressa, jotka EEG-elektrodit havaitsevat. Silmien nopeille liikkeille (REM-uni) on ominaista matalajännitteiset, katkonaiset, nopeasti muuttuvat aivoaallot (paradoksaalisesti myös tyypillisiä rentoutuneelle valveillaololle), kun taas ei-REM-unelle on ominaista hitaasti nousevat ja laskevat, amplitudiltaan suuremmat aallot. Mitä syvempi ja levollisempi uni on, sitä hitaammat ja suuremmat aallot heijastavat aivojen joutokäyntiä ja palauttavaa toimintaa. Nämä jännitteen värähtelyt, joita kutsutaan delta-aalloiksi, voivat olla niinkin hitaita kuin kerran neljässä sekunnissa ja niinkin nopeita kuin neljä kertaa sekunnissa (eli 0,25-4 hertsin taajuusalueella). Yksittäisten hermosolujen purkautumiseen syvän unen aikana kohdistuva viritys paljastaa erillisiä off-jaksoja, jolloin hermosolut lakkaavat tuottamasta sähköistä toimintaa 300-400 millisekunnin ajaksi. Tällaiset toistuvat hiljaiset jaksot, jotka synkronoituvat suurissa osissa aivokuorta, ovat syvän unen solutason tunnusmerkki.
Microsleep
Viimeisimmässä kolumnissani ”Nukkumaan puolet aivoista” korostin unentutkijoiden kasvavaa oivallusta siitä, että hereillä oleminen ja nukkuminen eivät ole kaikki tai ei mitään -ilmiöitä. Se, että nukut, ei välttämättä tarkoita, että koko aivosi ovat unessa. Kääntäen, kuten nyt kuvailen, olemme myös oppineet, että vaikka olisit hereillä, koko aivosi eivät välttämättä ole hereillä.
Tapaukseen, jossa uni tunkeutuu valvetilaan, kuuluvat lyhyet unijaksot, joita kutsutaan mikrouneksi. Näitä jaksoja voi esiintyä minkä tahansa yksitoikkoisen tehtävän aikana, ajettiinpa sitten pitkiä matkoja maan halki, kuunneltiin puhujan jankutusta tai osallistuttiin jälleen yhteen loputtomaan osastokokoukseen. Olet unelias, silmäsi roikkuvat, silmäluomet sulkeutuvat, pää nyökyttelee toistuvasti ylös ja alas ja napsahtaa sitten ylös: tietoisuutesi katoaa.
Yksi kokeessa, jossa yritettiin tutkia tätä tilaa, osallistujien oli seurattava satunnaisesti liikkuvaa kohdetta tietokoneen näytöllä joystickin avulla 50 minuutin ajan. Vaikka tämä visuomotorinen tehtävä on suoraviivainen, se vaatii taukoamatonta tarkkaavaisuutta, jota on vaikea ylläpitää jonkin ajan kuluttua. Osallistujilla oli keskimäärin 79 mikrounijaksoa tunnissa, jotka kestivät kukin 1,1-6,3 sekuntia, mikä johti suorituskyvyn heikkenemiseen. Mikrouni näkyy EEG-tallenteessa siirtymisenä alaspäin alfakaistan (8-13 Hz:n alue) hallitsemasta aktiivisuudesta theta-kaistan (4-7 Hz) värähtelyihin.
Häiritsevää on se, että koehenkilöt tyypillisesti luulevat olevansa valppaana koko ajan mikrounen aikana ilman, että he muistaisivat mitään tajuttomuusjaksoja. Tämä väärinkäsitys voi olla vaarallinen kuljettajan paikalla olevalle. Mikrotason uni voi olla kohtalokasta, kun ajetaan tai käytetään koneita, kuten junia tai lentokoneita, tunti toisensa jälkeen. Mikrounijakson aikana koko aivot nukahtavat hetkeksi, mikä herättää kysymyksen siitä, voivatko aivojen palaset nukahtaa itsestään ilman, että koko elin antautuu horrokseen.
Italialaissyntyiset neurotieteilijät Chiara Cirelli ja Giulio Tononi, jotka tutkivat unta ja tietoisuutta Wisconsin-Madisonin yliopistossa, löysivät koe-eläimistä ”uniajattelevia neuroneja”, jotka eivät osoittaneet minkäänlaista käyttäytymismielessä unen ilmentymää. Tutkimuksessa 11 aikuiselle rotalle istutettiin mikrojohtimia niiden etummaiseen motoriseen aivokuoreen, joka kontrolloi liikkumista. Aivokuoren kudokseen asetetut anturit havaitsivat sekä jännitteen, jota kutsutaan paikalliseksi kenttäpotentiaaliksi (LFP) ja joka muistuttaa EEG:tä, että läheisten hermosolujen piikkiaktiivisuuden. Odotetusti hereillä ollessaan LFP:tä hallitsivat matalaamplitudiset, nopeat aallot, jotka olivat helposti erotettavissa suuremmista ja hitaammista aalloista, jotka ovat tyypillisiä ei-REM-syvälle unelle .
Yksittäisten hermosolujen tasolla hereillä olevien eläinten aivokuoren solut juttelivat epäsäännöllisesti ja staccato-tyylisesti pidemmän aikaa. Sitä vastoin syvän unen aikana aivokuoren neuronit kokivat selviä hermostollisen aktiivisuuden ”päällä”-jaksoja ja ”pois”-jaksoja, joiden aikana ne olivat hiljaa. Tätä hermosolujen hiljaisuutta esiintyy samanaikaisesti koko aivokuorella. Se vuorottelee säännöllisten päälläolojaksojen kanssa, mikä johtaa nouseviin ja laskeviin aivoaaltoihin, jotka ovat syvän unen tunnusmerkki.
Tämän kaiken tietäen tutkijat päättivät tutkia asiaa tarkemmin. Sen sijaan, että he olisivat antaneet rottien mennä nukkumaan tavanomaiseen nukkumaanmenoaikaansa, kokeentekijät ottivat eläimet mukaan jyrsijäversioon myöhäisillan videopelaamisesta altistamalla ne jatkuvasti leluille ja muille esineille, joita ne saivat haistella, tutkia ja joilla leikkiä. He naputtelivat häkkiä ja estivät niitä muulla tavoin ottamasta nukkumisasentoa tai tulemasta uneliaiksi. Neljän tunnin tällaisen jännityksen jälkeen rotat saattoivat vihdoin nukahtaa.
Kuten aiempien eläin- ja ihmistutkimusten perusteella oli odotettavissa, univajeen loppuvaiheessa LFP alkoi siirtyä matalammille taajuuksille, mikä sopi yhteen sen ajatuksen kanssa, että eläimiin kohdistunut paine nukkua kasvoi tasaisesti. Sähköisten allekirjoitusten tarkempi tarkastelu paljasti kuitenkin jotain odottamatonta: satunnaisia, satunnaisia, hiljaisia jaksoja, jolloin kaikki tai suurin osa rekisteröidyn aivoalueen neuroneista oli hiljaa ilman, että eläimillä oli havaittavissa käyttäytymis- tai EEG-ilmiöitä mikrounesta. Nämä lyhyet, pois päältä -tyyppiset jaksot liittyivät usein LFP:n hitaisiin aaltoihin. Päinvastoin tapahtui palautumisunen aikana, tämän kuuden tunnin jakson loppupuolella, kun paine nukkumiseen oli oletettavasti vähentynyt. Tällöin LFP:n suuret ja hitaat aallot muuttuivat harvinaisemmiksi ja neuronien aktiivisuus muuttui epäsäännöllisemmäksi, kuten se muuttui valveillaolon aikana.
Näyttää siltä, että hereillä ollessaan, mutta univajeessa neuronit osoittavat merkkejä uneliaisuudesta, kun taas tuntikausia kestäneen kiinteän unen jälkeen yksittäiset neuronit alkavat heräillä. Huolellinen tilastollinen analyysi vahvisti nämä suuntaukset: poissaolojaksojen määrä lisääntyi niiden neljän tunnin aikana, jolloin rotat pakotettiin pysymään hereillä, ja päinvastainen dynamiikka tapahtui palautumisunen aikana.
Yksi kysymykseksi nousi se, nukahtaako jokin yksittäinen neuroni muista neuroneista riippumatta. Vai oliko tämä esiintyminen pikemminkin globaali ilmiö, jossa kaikki neuronit siirtyvät samanaikaisesti pois päältä -jaksolle? Vastaus, joka saatiin istuttamalla toinen mikrolankajoukko toiselle aivokuorialueelle – parietaaliselle aivokuorelle, joka on varsin erillinen alue motorisesta aivokuoresta – oli ”kyllä” molempiin kysymyksiin.
Klikkaa tai napauta suurentaaksesi
Tämä tarkoittaa, että joskus molempien alueiden neuronit sammuivat yhdessä, kun taas toisinaan ne sammuivat itsenäisesti. Silti unipaineen kasvaessa, useiden tuntien valvomisen jälkeen, neuronien toiminta univajeen aikana synkronoitui kuitenkin globaalimmin (kuten syvässä unessa). Samoin mitä pidempään eläin nukkui palautumisjakson aikana, sitä epätodennäköisemmin hitaita aaltoja havaittiin samanaikaisesti molemmissa aivokuoren paikoissa. Neuroniryhmät voidaan helpommin rekrytoida tuottamaan hitaita värähtelyjä, jotka muodostavat syvän unen, kun unipaine on korkea.
Nämä tulokset maalaavat vivahteikkaamman näkemyksen valveillaolosta ja unesta kuin vallitseva näkemys, jossa molempia tiloja pidettiin globaaleina, kaikki tai ei mitään -tietoisuuden tiloina. Sen sijaan nämä tiedot, joita tukevat yksittäisten neuronien tallenteet potilailta, joille on istutettu mikroelektrodit, joita käytetään toisinaan epilepsian hoidossa, viittaavat siihen, että vaikka koehenkilö olisi hereillä, yksilön neuronit voivat väsyä ja joskus sammua. Mitä raskaampi unipaine on, sitä todennäköisemmin tämä tapahtuu samanaikaisesti monessa paikassa aivokuorella. Sitä vastoin monien tuntien levollisen unen jälkeen osa näistä neuroneista irrottautuu näistä aivojen laajuisista värähtelyistä ja alkaa herätä.
Mutta jos neuronit kytkeytyvät pois päältä univajeen aikana, eikö suorituskyvyn pitäisi heikentyä jonkin verran? Loppujen lopuksi näiden neuronien täytyy palvella jotain tarkoitusta, ja jos ne horrostavat, jonkin pitäisi kärsiä. Tätä kysymystä tutkiakseen Cirelli, Tononi ja heidän työtoverinsa kouluttivat rotat kurkottamaan yhdellä etutassullaan kapean aukon läpi tarttumaan hyllyllä olevaan sokeripellettiin. Jos se tehdään kömpelösti, pelletti putoaa pois, eikä sitä voi enää hakea.
Tehtävän opettelu sitoo motorisen aivokuoren tietyn sektorin, joka muuttuu harjoittelun seurauksena. Etsimällä off-jaksoja eläimen kurottaessa makeisia, tutkijat havaitsivat, että näitä hermosolujen palamisen aukkoja esiintyy todennäköisemmin motorisella aivokuorella sekunnin murto-osaa ennen epäonnistunutta yritystä napata pelletti verrattuna siihen, kun rotta onnistui nappaamaan makean herkun. Yksittäisen poissaolojakson esiintyminen alensi onnistuneen kokeilun todennäköisyyttä yli kolmanneksella. Nämä vaikutukset rajoittuivat motoriseen aivokuoreen, eikä niitä havaittu parietaalisessa aivokuoressa, jota kurottajatehtävä ei koske. Kun eläinten univaje lisääntyi, niiden kokonaissuorituskyky kärsi, kuten univajeisille ihmisille on tyypillistä.
Lokaali horros
Tässä tutkimuksessa havaittiin, että univajeen aikana esiintyy paikallista horrosta: eristettyjä aivokuoren hermosoluryhmiä, jotka kytkeytyvät hetkeksi pois päältä, kun taas eläin kaikin puolin jatkaa liikkumistaan ja tekemisiään. Paikallinen lepotila on todennäköisempi, jos nämä neuronit ovat aktiivisessa toiminnassa, kuten ne ovat oppiessaan nappaamaan sokeripelletin. Myös neuronit väsyvät ja irrottautuvat, mikä on mikrokosmos siitä, mitä koko organismille tapahtuu.
Extrapoloimalla näistä tiedoista vaikuttaa uskottavalta, että unipaineen kasvaessa näiden pois päältä -tapahtumien taajuus ja niiden hallitsevuus aivokuorella lisääntyvät, kunnes koko aivojen aktiivisuus synkronoituu yhtäkkiä, mutta lyhyeksi ajaksi, ja aivot vaipuvat syvään uneen – silmät sulkeutuvat ja pää nyökyttelee. Koehenkilö siirtyy mikrouniin.
Nukkuminen on kiehtova aihe, vaikka emme voi tietoisesti kokea syvää unta, koska tietoisuutemme on kytketty pois päältä. Uni on hienosti säädelty osa aivojemme päivittäistä sykliä auringon noustessa ja laskiessa, tila, jonka toiminta on edelleen kiistanalainen.
Viime vuosisadan aikana kliinikot ja neurotieteilijät ovat löytäneet erilaisia univaiheita (nopeat silmänliikkeet ja ei-nopeat silmänliikkeet) ja niiden hallintaan osallistuvat keskiaivojen ja aivorungon erilliset alueet. Lisäksi nämä tutkijat ovat demystifioineet narkolepsian, jolloin potilaat nukahtavat äkillisesti ja vastustamattomasti, mikrounet ja nyt myös paikallisunet. Mitä seuraavaksi tapahtuu?