„To była dosłowna prawda: szedłem przez życie śpiąc. Moje ciało nie miało więcej czucia niż utopiony trup. Moje istnienie, moje życie na świecie, wydawało się halucynacją. Silny wiatr sprawiał, że myślałem, że moje ciało zostanie zdmuchnięte na koniec ziemi, do jakiejś krainy, której nigdy nie widziałem ani o której nigdy nie słyszałem, gdzie mój umysł i ciało rozdzielą się na zawsze.”
-Z Snu, autorstwa Haruki Murakami, 1989
Wszyscy tam byliśmy. Kładziesz się do łóżka, zamykasz oczy, kładziesz swój umysł i czekasz, aż świadomość zaniknie. Bezczasowy odstęp czasu później budzisz się, odświeżony i gotowy do stawienia czoła wyzwaniom nowego dnia (zauważ, jak nigdy nie możesz złapać się na akcie utraty świadomości!). Ale czasami twój wewnętrzny świat nie wyłącza się – twój umysł pozostaje nadwrażliwy. Rzucasz się i obracasz, ale nie możesz znaleźć błogosławionej ulgi, jaką jest sen. Przyczyn bezsenności może być wiele, ale konsekwencje są zawsze takie same: następnego dnia jesteś zmęczony, czujesz się senny, drzemiesz. Uwaga błądzi, czas reakcji spada, masz mniejszą kontrolę poznawczo-emocjonalną. Na szczęście zmęczenie jest odwracalne i znika po nocy lub dwóch solidnego snu.
Spędzamy około jednej trzeciej naszego życia w stanie spoczynku, określonego przez względny behawioralny bezruch i zmniejszoną reaktywność na bodźce zewnętrzne. Łącznie daje to kilkadziesiąt lat snu w ciągu życia przeciętnego człowieka. Ach, wiem, że myślisz: Czy nie byłoby wspaniale, gdybyśmy ograniczyli ten „zmarnowany” czas, aby móc robić więcej! Kiedy byłem młodszy, ja również żyłem zgodnie z mottem „Możesz spać, kiedy jesteś martwy”. Ale obudziłem się do faktu, że dla optymalnego, długoterminowego zdrowia fizycznego i psychicznego, potrzebujemy snu.
Ludzie dzielą tę potrzebę codziennego snu ze wszystkimi wielokomórkowymi stworzeniami, jak każdy dorastający z psami, kotami lub innymi zwierzętami domowymi wie.
Zrozumienie znaczenia snu można zaobserwować, kontemplując sam proces biologiczny. Sen jest homeostatycznie regulowany z niezwykłą precyzją: presja, by iść spać narasta w ciągu dnia, aż czujemy się senni wieczorem, ziewamy bez przerwy i kładziemy się spać. Pozbawieni snu ludzie odczuwają nieodpartą potrzebę dążenia do odpoczynku – w rzeczywistości stają się „pijani snem”. Starszy, XIX-wieczny termin, bliższy prawdy, to „wyczerpanie mózgowe”, mózg domagający się odpoczynku.
W mojej ostatniej kolumnie Consciousness Redux opisałem, jak klinicyści definiują sen, rejestrując fale mózgowe z sieci czujników elektroencefalogramu (EEG) umieszczonych na skórze głowy śpiącego. Podobnie jak powierzchnia morza, elektryczny mózg jest nieustannie w ruchu, odzwierciedlając niewidoczne, drobne drżenia w korze mózgowej pod czaszką, które są odbierane przez elektrody EEG. Sen z szybkimi ruchami gałek ocznych (REM) charakteryzuje się niskim napięciem, szarpanymi, szybko zmieniającymi się falami mózgowymi (paradoksalnie, typowymi również dla spokojnego czuwania), podczas gdy sen non-REM charakteryzuje się powoli wznoszącymi się i opadającymi falami o większej amplitudzie. W istocie, im głębszy i bardziej spokojny sen, tym wolniejsze i większe fale, które odzwierciedlają bezczynną, regenerującą aktywność mózgu. Te oscylacje napięcia, określane jako fale delta, mogą być tak wolne jak raz na cztery sekundy i tak szybkie jak cztery razy na sekundę (czyli w zakresie częstotliwości od 0,25 do czterech herców). Dostrojenie się do wyładowań poszczególnych neuronów podczas głębokiego snu ujawnia dyskretne okresy wyłączenia, kiedy komórki nerwowe przestają generować jakąkolwiek aktywność elektryczną na 300 do 400 milisekund. Takie powtarzające się ciche okresy, zsynchronizowane w dużych częściach kory mózgowej, są komórkową cechą charakterystyczną głębokiego snu.
Mikrosen
Moja ostatnia kolumna, „Spać z połową mózgu”, podkreśliła rosnącą świadomość badaczy snu, że czuwanie i sen nie są zjawiskami typu „wszystko albo nic”. To, że śpisz, nie musi oznaczać, że cały twój mózg jest w stanie snu. I odwrotnie, jak teraz opiszę, dowiedzieliśmy się również, że nawet kiedy jesteś przebudzony, cały twój mózg może nie być przebudzony.
Przypadek w punkcie dla snu wkraczającego w stan czuwania obejmuje krótkie epizody snu znane jako mikrosen. Te interwały mogą wystąpić podczas każdego monotonnego zadania, czy to jazdy na długich dystansach w całym kraju, słuchania głośnika droning on lub uczestniczenia w jeszcze jednym niekończącym się spotkaniu wydziału. Czujesz się senny, oczy opadają, powieki się zamykają, głowa wielokrotnie kiwa się w górę i w dół, a potem podnosi: twoja świadomość zanika.
W jednym z eksperymentów, w którym próbowano zbadać ten stan, uczestnicy musieli przez 50 minut śledzić joystickiem na monitorze komputera losowo poruszający się cel. Choć proste, to zadanie wizualno-ruchowe wymaga ciągłej uwagi, która po pewnym czasie staje się trudna do utrzymania. W rzeczywistości, średnio uczestnicy mieli 79 epizodów mikrosnu na godzinę, trwających od 1,1 do 6,3 sekundy każdy, z towarzyszącym im spadkiem wydajności. Mikrosen objawia się w zapisie EEG przesunięciem w dół z aktywności zdominowanej przez pasmo alfa (zakres od 8 do 13 Hz) do oscylacji w paśmie theta (4 do 7 Hz).
Potencjalnie, badani zazwyczaj wierzą, że są czujni przez cały czas podczas mikrosnu, nie przypominając sobie żadnego okresu nieświadomości. To nieporozumienie może być niebezpieczne dla kogoś na miejscu kierowcy. Mikrosen może być śmiertelny w przypadku prowadzenia pojazdu lub obsługi maszyn, takich jak pociągi lub samoloty, godzina po godzinie. Podczas mikrosnu epizod, cały mózg krótko zasypia, podnosząc pytanie, czy bity i kawałki mózgu może iść do snu przez siebie, bez całego organu ulegając slumber.
Indeed, urodzony we Włoszech neurobiologów Chiara Cirelli i Giulio Tononi, którzy studiują sen i świadomość na University of Wisconsin-Madison, odkrył „senne neurony” w zwierząt doświadczalnych, które nie wykazały żadnych behawioralnych przejawów snu. W badaniach tych 11 dorosłym szczurom wszczepiono mikrowłókna do przedniej kory ruchowej, która kontroluje ruch. Wprowadzone do tkanki korowej czujniki odbierały zarówno napięcie zwane lokalnym potencjałem pola (LFP), podobne do EEG, jak i aktywność spikingową pobliskich komórek nerwowych. Zgodnie z oczekiwaniami, podczas czuwania, LFP był zdominowany przez szybkie fale o niskiej amplitudzie, łatwo odróżnialne od większych i wolniejszych fal charakterystycznych dla głębokiego snu nie-REM .
Na poziomie pojedynczych neuronów, komórki korowe obudzonych zwierząt rozmawiały w nieregularny, staccato sposób przez dłuższy czas. Odwrotnie, podczas głębokiego snu, neurony korowe doświadczyły wyraźnych okresów „włączonych” aktywności neuronalnej i okresów „wyłączonych”, podczas których milczą. Ta powściągliwość neuronów występuje jednocześnie w całej korze mózgowej. Przeplata się z regularnymi okresami włączonymi, prowadząc do wzrastających i opadających fal mózgowych, które są znakiem rozpoznawczym głębokiego snu.
Wiedząc to wszystko, badacze postanowili badać dalej. Zamiast pozwolić szczurom iść spać w ich zwykłym czasie snu, eksperymentatorzy zaangażowali zwierzęta w gryzoni wersji późno nocnych gier wideo, stale narażając je na zabawki i inne obiekty do wąchania, badania i zabawy z. Stukali w klatkę i w inny sposób uniemożliwiali im przyjęcie pozycji do snu lub zapadnięcie w senność. Po czterech godzinach takiego podniecenia, szczury mogły w końcu slumber.
Jak oczekiwano od poprzednich badań na zwierzętach i ludziach, pod koniec fazy pozbawienia snu, LFP zaczął przesuwać się na niższe częstotliwości, zgodne z ideą, że ciśnienie dla zwierząt do snu stale budowane w górę. Bliższa inspekcja sygnatur elektrycznych ujawniła jednak coś nieoczekiwanego: okazjonalne, sporadyczne, ciche okresy wszystkich lub większości neuronów w rejestrowanym regionie mózgu, bez wykazywania przez zwierzęta behawioralnych lub EEG przejawów mikrosnu. Te krótkie, wyłączone epizody były często związane z wolnymi falami w LFP. Odwrotna sytuacja miała miejsce podczas snu regeneracyjnego, pod koniec tego sześciogodzinnego okresu, kiedy presja na sen przypuszczalnie osłabła. W tym momencie duże i powolne fale w LFP stały się rzadsze, a aktywność neuronów stała się bardziej nieregularna, tak jak podczas czuwania.
Wygląda na to, że kiedy neurony są przebudzone, ale pozbawione snu, wykazują oznaki senności, podczas gdy po godzinach solidnego snu poszczególne neurony zaczynają się budzić. Dokładna analiza statystyczna potwierdziła te tendencje: liczba okresów wyłączenia wzrosła podczas czterech godzin, w których szczury były zmuszone do pozostawania w stanie czuwania, a odwrotna dynamika wystąpiła podczas snu regeneracyjnego.
Jednym z pytań było, czy jakikolwiek jeden neuron zasnął niezależnie od jakiegokolwiek innego neuronu. Czy też było to zjawisko bardziej globalne, w którym wszystkie neurony jednocześnie przechodzą w okres wyłączenia? Odpowiedź, uzyskana przez wszczepienie drugiego układu mikrowłókien do drugiego obszaru kory – kory ciemieniowej, całkiem odrębnego obszaru od kory ruchowej – brzmiała „tak” na oba pytania.
Kliknij lub dotknij aby powiększyć
To znaczy, że czasami neurony w obu regionach wyłączały się razem, podczas gdy innym razem robiły to niezależnie. Jednak w miarę narastania presji snu, po kilku godzinach czuwania, aktywność neuronów podczas deprywacji snu stawała się bardziej globalnie zsynchronizowana (podobnie jak w głębokim śnie). Podobnie, im dłużej zwierzę spało w okresie regeneracji, tym mniej prawdopodobne było jednoczesne wykrycie fal wolnych w obu miejscach kory. Grupy neuronów mogą być łatwiej rekrutowane do produkcji powolnych oscylacji, które stanowią głęboki sen, gdy ciśnienie snu jest wysokie.
Te wyniki malują bardziej zniuansowany widok czuwania i snu niż ten dominujący, w którym oba warunki były uważane za globalne, wszystko-albo-jeden stany świadomości. Zamiast tego dane te, poparte nagraniami pojedynczych neuronów od pacjentów z wszczepionymi mikroelektrodami, stosowanymi sporadycznie w leczeniu epilepsji, sugerują, że nawet gdy podmiot jest obudzony, neurony jednostki mogą stać się zmęczone i od czasu do czasu wymeldować się. Im większa presja snu, tym większe prawdopodobieństwo, że stanie się to jednocześnie w wielu miejscach w korze mózgowej. Odwrotnie, po wielu godzinach spokojnego snu, niektóre z tych neuronów stają się odłączone od tych ogólnomózgowych oscylacji i zaczynają się budzić.
Ale z neuronami wychodzącymi poza linię podczas braku snu, czy nie powinno być jakieś pogorszenie wydajności? W końcu te neurony muszą służyć jakiemuś celowi, a jeśli zasną, coś powinno na tym ucierpieć. Aby zbadać to pytanie, Cirelli, Tononi i ich współpracownicy wyszkolili szczury, by sięgały jedną z przednich łap przez wąski otwór, by chwycić granulkę cukru na półce. Jeśli zrobić niezdarnie, peletka spada i nie może być odzyskane już.
Uczenie się tego zadania angażuje szczególny sektor kory ruchowej, która ulega zmianie w wyniku szkolenia. Przeszukując okresy wyłączenia, podczas gdy zwierzę sięga po słodycze, badacze odkryli, że te przerwy w odpalaniu neuronów są bardziej prawdopodobne, aby wystąpić w korze ruchowej ułamek sekundy przed nieudaną próbą chwycenia granulatu w porównaniu z tym, kiedy szczur z powodzeniem podniósł słodki smakołyk. Rzeczywiście, wystąpienie pojedynczego okresu wyłączenia obniżyło prawdopodobieństwo udanej próby o ponad jedną trzecią. Efekty te były ograniczone do kory ruchowej i nie były widoczne w korze ciemieniowej, która nie jest zaangażowana w zadanie sięgania. Jak zwierzęta stały się bardziej pozbawione snu, ich ogólna wydajność ucierpiała, co jest typowe dla pozbawionych snu ludzi.
Lokalna drzemka
To, co odkryto w tym badaniu, to istnienie lokalnego snu podczas pozbawienia snu: izolowane korowe grupy neuronów, które na krótko przestają działać, podczas gdy zwierzę, do wszystkich zewnętrznych pozorów, nadal porusza się i robi to, co robi. Prawdopodobieństwo wystąpienia lokalnego „shut-eye” jest większe, jeśli neurony te są aktywnie zaangażowane, tak jak podczas nauki chwytania granulatu cukrowego. Neurony, zbyt, stają się zmęczone i odłączone, mikrokosmos tego, co dzieje się z całym organizmem.
Extrapolując z tych danych, wydaje się prawdopodobne, że jak ciśnienie na sen wzrasta, częstotliwość tych zdarzeń off i ich przewaga w korze wzrost aż aktywność w całym mózgu staje się nagle, ale krótko zsynchronizowane i mózg wpada w głęboki sen – oczy się zamykają, a głowa kiwa. Podmiot wchodzi w mikrosen.
Sen jest fascynującym tematem, nawet jeśli nie możemy świadomie doświadczyć głębokiego snu, ponieważ nasza świadomość jest wyłączona. Sen jest precyzyjnie regulowanym aspektem dziennego cyklu naszego mózgu, tak jak wschody i zachody słońca, stanem, którego funkcja pozostaje kontrowersyjna.
W ciągu ostatniego stulecia klinicyści i neurobiolodzy odkryli różne fazy snu (szybkie ruchy gałek ocznych i nieszybkie ruchy gałek ocznych) oraz odrębne regiony śródmózgowia i pnia mózgu zaangażowane w ich kontrolowanie. Co więcej, badacze ci zdemistyfikowali narkolepsję, kiedy pacjenci gwałtownie i nieodparcie zasypiają, mikrosen, a obecnie sen miejscowy. Co będzie dalej?
.