“Het was letterlijk waar: ik ging slapend door het leven. Mijn lichaam had niet meer gevoel dan een verdronken lijk. Mijn bestaan zelf, mijn leven in de wereld, leek wel een hallucinatie. Een harde wind deed me denken dat mijn lichaam op het punt stond naar het einde van de aarde te worden geblazen, naar een land dat ik nooit had gezien of waar ik nooit van had gehoord, waar mijn geest en lichaam voor altijd zouden scheiden.”
-Van Slaap, door Haruki Murakami, 1989
We hebben het allemaal wel eens meegemaakt. Je gaat naar bed, sluit je ogen, deken je geest en wacht tot het bewustzijn vervaagt. Een tijdloos interval later word je wakker, verfrist en klaar om de uitdagingen van een nieuwe dag aan te gaan (merk op hoe je jezelf nooit op heterdaad op bewustzijnsverlies kunt betrappen!). Maar soms schakelt je innerlijke wereld niet uit – je geest blijft waakzaam. Je woelt en draait maar vindt niet de gezegende opluchting van de slaap. De redenen voor slapeloosheid kunnen velerlei zijn, maar de gevolgen zijn altijd dezelfde: u bent de volgende dag moe, u voelt zich slaperig, u doet een dutje. Je aandacht dwaalt af, je reactievermogen vertraagt, je hebt minder cognitief-emotionele controle. Gelukkig is vermoeidheid omkeerbaar en verdwijnt na een nacht of twee stevig slapen.
We brengen ongeveer een derde van ons leven door in een toestand van rust, gedefinieerd door relatieve gedragsmatige onbeweeglijkheid en verminderd reactievermogen op externe stimuli. Cumulatief komt dit neer op tientallen jaren slaap gedurende het leven van een gemiddeld persoon. Ah, ik weet dat je denkt: Zou het niet geweldig zijn als we deze “verspilde” tijd verminderen om meer te kunnen doen! Toen ik jonger was, leefde ik ook volgens het motto “Je kunt slapen als je dood bent.” Maar ik ben wakker geworden voor het feit dat voor een optimale, langdurige lichamelijke en geestelijke gezondheid, we slaap nodig hebben.
Mensen delen deze behoefte aan dagelijkse slaap met alle meercellige wezens, zoals iedereen die opgroeide met honden, katten of andere huisdieren weet.
Een begrip van het belang van slaap kan worden waargenomen door na te denken over het biologische proces zelf. Slaap wordt homeostatisch gereguleerd met uiterste precisie: de druk om te gaan slapen bouwt zich overdag op totdat we ons ’s avonds slaperig voelen, voortdurend geeuwen en in slaap vallen. Wanneer mensen van slaap worden beroofd, ervaren zij een uiteindelijk onweerstaanbare behoefte om rust te zoeken – zij worden in feite “slaapdronken”. Een oudere, 19e-eeuwse term, dichter bij de waarheid, is “cerebrale uitputting”, de hersenen eisen hun rust.
In mijn laatste Consciousness Redux column, beschreef ik hoe clinici slaap definiëren door het registreren van hersengolven van een net van elektro-encefalogram (EEG) sensoren geplaatst op de hoofdhuid van de slaper . Net als het oppervlak van de zee is het elektrische brein onophoudelijk in beroering, en weerspiegelt het de onzichtbare, minuscule trillingen in de hersenschors onder de schedel die door de EEG elektroden worden opgepikt. De Rapid Eye Movement (REM)-slaap wordt gekenmerkt door laag-voltage, haperend, snel veranderende hersengolven (paradoxaal genoeg ook typisch voor ontspannen waken), terwijl de niet-REM-slaap wordt gekenmerkt door langzaam stijgende en dalende golven met een grotere amplitude. Hoe dieper en rustgevender de slaap, hoe trager en groter de golven die de rustende, herstellende activiteit van de hersenen weerspiegelen. Deze spanningsoscillaties, die deltagolven worden genoemd, kunnen zo langzaam zijn als eens in de vier seconden en zo snel als vier keer per seconde (dat wil zeggen, in het frequentiegebied van 0,25 tot vierhertz). Afstemming op de ontlading van individuele neuronen tijdens de diepe slaap onthult discrete rustperiodes, wanneer zenuwcellen gedurende 300 tot 400 milliseconden ophouden met het genereren van elektrische activiteit. Dergelijke terugkerende stille perioden, gesynchroniseerd over grote delen van de cortex, zijn het cellulaire kenmerk van diepe slaap.
Microslaap
Mijn laatste column, “Slapen met een half brein”, benadrukte het groeiende besef van slaaponderzoekers dat wakker zijn en slapen geen alles-of-niets-fenomenen zijn. Het feit dat je slaapt, betekent niet noodzakelijk dat je hele brein slaapt. Omgekeerd, zoals ik nu zal beschrijven, hebben we ook geleerd dat zelfs wanneer je wakker bent, je hele brein niet wakker hoeft te zijn.
Een voorbeeld van slaap die het waakbewustzijn binnendringt, zijn korte perioden van slaap die bekend staan als microslaap. Deze intervallen kunnen optreden tijdens elke monotone taak, of het nu gaat om het rijden van lange afstanden door het land, het luisteren naar een spreker die maar doorgaat of het bijwonen van de zoveelste eindeloze afdelingsvergadering. Je bent slaperig, je ogen gaan hangen, je oogleden sluiten zich, je hoofd knikt herhaaldelijk op en neer en schiet dan weer omhoog: je bewustzijn vervliegt.
In een experiment waarin werd geprobeerd deze toestand te onderzoeken, moesten deelnemers gedurende 50 minuten met een joystick een willekeurig bewegend doelwit op een computermonitor volgen. Deze visuomotorische taak is eenvoudig, maar vereist non-stop aandacht die na een tijdje moeilijk vol te houden is. Gemiddeld hadden de deelnemers 79 microslaap episodes per uur, die tussen 1,1 en 6,3 seconden per episode duurden, met een daarmee gepaard gaande daling van de prestaties. Microslaap uit zich in de EEG opnames door een neerwaartse verschuiving van activiteit gedomineerd door de alpha band (8 tot 13 Hz bereik) naar oscillaties in de theta band (4 tot 7 Hz).
Pernicieus genoeg geloven proefpersonen meestal dat ze de hele tijd alert zijn tijdens microslaap zonder zich een periode van bewusteloosheid te herinneren. Deze misvatting kan gevaarlijk zijn voor iemand op de bestuurdersplaats. Microslaap kan fataal zijn bij het besturen van een voertuig of het bedienen van machines zoals treinen of vliegtuigen, uur na uur. Tijdens een microslaap episode vallen de hele hersenen kort in slaap, wat de vraag oproept of stukjes en beetjes van de hersenen uit zichzelf in slaap kunnen vallen, zonder dat het hele orgaan in slaap valt.
Inderdaad ontdekten de in Italië geboren neurowetenschappers Chiara Cirelli en Giulio Tononi, die slaap en bewustzijn bestuderen aan de Universiteit van Wisconsin-Madison, “slaperige neuronen” bij proefdieren die geen gedragsmatige manifestatie van slaap vertoonden. In dit onderzoek werden bij 11 volwassen ratten microwires geïmplanteerd in hun frontale motorische cortex, die de beweging controleert. De sensoren, die in het corticale weefsel werden ingebracht, registreerden zowel de spanning die de lokale veldpotentiaal (LFP) wordt genoemd, vergelijkbaar met het EEG, als de piekactiviteit van nabijgelegen zenuwcellen. Zoals verwacht, werd de LFP bij het ontwaken gedomineerd door snelle golven met een lage amplitude, die gemakkelijk te onderscheiden waren van de grotere en langzamere golven die kenmerkend zijn voor een niet-REM diepe slaap.
Op het niveau van individuele neuronen kletsten de corticale cellen van de wakkere dieren gedurende een langere periode op een onregelmatige, staccato manier. Omgekeerd, tijdens de diepe slaap, corticale neuronen ervaren uitgesproken “on” periodes van neurale activiteit en “off” tijden waarin ze stil zijn. Deze neuronale terughoudendheid treedt gelijktijdig op in de hele cortex. Het wordt afgewisseld met regelmatige aan-perioden, wat leidt tot de stijgende en dalende hersengolven die het kenmerk zijn van diepe slaap.
Dit alles wetende, besloten de onderzoekers verder te onderzoeken. In plaats van de ratten op hun gebruikelijke bedtijd te laten slapen, hielden de onderzoekers de dieren bezig met een knaagdierversie van nachtelijke videospelletjes, waarbij ze voortdurend werden blootgesteld aan speelgoed en andere voorwerpen om aan te snuffelen, te verkennen en mee te spelen. Ze tikten op de kooi en verhinderden op andere manieren dat de dieren een slaaphouding aannamen of slaperig werden. Na vier uur van dergelijke opwinding konden de ratten eindelijk gaan slapen.
Zoals verwacht uit eerdere dier- en mensstudies, begon tegen het einde van de slaapdeprivatiefase de LFP te verschuiven naar lagere frequenties, compatibel met het idee dat de druk voor de dieren om te slapen gestaag toenam. Nadere inspectie van de elektrische signaturen bracht echter iets onverwachts aan het licht: incidentele, sporadische, stille perioden van alle of de meeste neuronen in het opgenomen hersengebied, zonder dat de dieren gedragsmatige of EEG manifestaties van microslaap vertoonden. Deze korte, uit-achtige episoden werden vaak geassocieerd met trage golven in de LFP. Het tegenovergestelde gebeurde tijdens de herstelslaap, tegen het einde van deze zes uur durende periode, wanneer de druk om te slapen vermoedelijk was afgenomen. Op dit punt werden grote en langzame golven in de LFP minder frequent, en neuronale activiteit werd onregelmatiger, zoals het deed tijdens waakzaamheid.
Het lijkt erop dat wanneer wakker maar met slaaptekort, neuronen tekenen van slaperigheid vertonen, terwijl na uren van stevige slaap, individuele neuronen wakker beginnen te worden. Zorgvuldige statistische analyse bevestigde deze trends: het aantal off-perioden nam toe gedurende de vier uur dat de ratten gedwongen werden wakker te blijven, en de tegenovergestelde dynamiek trad op tijdens de herstelslaap.
Een vraag was of een neuron in slaap viel onafhankelijk van enig ander neuron. Of was dit verschijnsel meer een globaal fenomeen, waarbij alle neuronen gelijktijdig overgingen naar een uit-periode? Het antwoord, verkregen door het implanteren van een tweede array van microwires in een tweede corticale regio – de pariëtale cortex, een heel ander gebied dan de motorische cortex – was “ja” op beide vragen.
Klik of tik om te vergroten
Dat wil zeggen dat neuronen in beide regio’s soms samen afgingen, terwijl ze dat op andere momenten onafhankelijk van elkaar deden. Naarmate de slaapdruk toenam, na enkele uren wakker te zijn gehouden, werd de neuronale activiteit tijdens slaapdeprivatie echter meer globaal gesynchroniseerd (net als in diepe slaap). Evenzo, hoe langer het dier sliep tijdens de herstelperiode, hoe minder waarschijnlijk het was dat trage golven gelijktijdig werden gedetecteerd op beide corticale plaatsen. Groepen neuronen kunnen gemakkelijker worden gerekruteerd om de langzame oscillaties te produceren die de diepe slaap vormen, wanneer de slaapdruk hoog is.
Deze resultaten geven een genuanceerder beeld van waakzaamheid en slaap dan het heersende beeld, waarin beide condities werden beschouwd als globale, alles-of-niets-toestanden van bewustzijn. In plaats daarvan suggereren deze gegevens, ondersteund door opnamen van enkelvoudige neuronen bij patiënten met geïmplanteerde micro-elektroden, zoals die af en toe worden gebruikt bij de behandeling van epilepsie, dat zelfs wanneer het subject wakker is, de neuronen van het individu moe kunnen worden en af en toe kunnen uitvallen. Hoe zwaarder de slaapdruk, hoe groter de kans dat dit gelijktijdig op vele plaatsen in de cortex gebeurt. Omgekeerd, na vele uren van rustgevende slaap, worden sommige van deze neuronen losgekoppeld van deze hersenbrede oscillaties en beginnen ze wakker te worden.
Maar met neuronen die off-line gaan tijdens slaaptekort, zou er dan niet enige verslechtering in de prestaties moeten zijn? Deze neuronen moeten tenslotte een doel dienen, en als ze in slaap sukkelen, moet daar iets onder lijden. Om deze vraag te onderzoeken trainden Cirelli, Tononi en hun medewerkers de ratten om met een van hun voorpoten door een smalle opening een suikerkorrel op een plank te pakken. Als dit onhandig gebeurt, valt het bolletje eraf en kan het niet meer worden opgehaald.
Het aanleren van deze taak doet een beroep op een bepaalde sector van de motorische cortex die verandering ondergaat als gevolg van de training. Speurend naar off periodes terwijl het dier naar de snoepjes reikt, ontdekten de onderzoekers dat deze hiaten in neuronale vuren vaker voorkomen in de motorische cortex een fractie van een seconde voor een mislukte poging om het bolletje te pakken in vergelijking met wanneer de rat met succes een zoete traktatie oppakte. Het optreden van een enkele “off” periode verlaagde de kans op een succesvolle proef met meer dan een derde. Deze effecten waren beperkt tot de motorische cortex en werden niet waargenomen in de pariëtale cortex, die niet betrokken is bij de reiktaak. Naarmate de dieren meer slaaptekort kregen, gingen hun algemene prestaties achteruit, zoals typisch is voor mensen met slaaptekort.
Local Slumber
Wat deze studie ontdekte is het bestaan van lokale slaap tijdens slaaptekort: geïsoleerde corticale groepen neuronen die kort off-line gaan terwijl het dier, naar alle uiterlijke schijn, blijft bewegen en doen wat het doet. Plaatselijke slaap is waarschijnlijker als die neuronen actief bezig zijn, zoals bij het leren grijpen van een suikerkorrel. Neuronen worden ook moe en raken ontkoppeld, een microkosmos van wat er met het hele organisme gebeurt.
Extrapolerend uit deze gegevens, lijkt het aannemelijk dat als de druk om te slapen toeneemt, de frequentie van deze uit-gebeurtenissen en hun overwicht in de cortex toeneemt, totdat de activiteit in de hele hersenen plotseling maar kort gesynchroniseerd raakt en de hersenen in diepe slaap vallen – de ogen sluiten, en het hoofd knikt. Het onderwerp komt in microslaap.
Slaap is een fascinerend onderwerp, ook al kunnen we niet bewust een diepe slaap ervaren, omdat ons bewustzijn is uitgeschakeld. Slaap is een fijn gereguleerd aspect van de dagelijkse cyclus van onze hersenen zoals de zon opkomt en ondergaat, een toestand waarvan de functie controversieel blijft.
In de afgelopen eeuw hebben clinici en neurowetenschappers verschillende slaapfasen ontdekt (snelle oogbewegingen en niet-snelle oogbewegingen) en de verschillende regio’s van de middenhersenen en hersenstam die betrokken zijn bij de controle ervan. Bovendien hebben deze onderzoekers narcolepsie ontrafeld, waarbij patiënten abrupt en onweerstaanbaar in slaap vallen, microslaap en nu ook plaatselijke slaap. Wat komt hierna?