”Det var bokstavligen sant: jag gick igenom livet i sömn. Min kropp hade inte mer känsla än ett drunknat lik. Själva min existens, mitt liv i världen, verkade som en hallucination. En stark vind fick mig att tro att min kropp var på väg att blåsa till jordens ände, till något land som jag aldrig hade sett eller hört talas om, där mitt sinne och min kropp skulle skiljas åt för alltid.”
-Från sömnen, av Haruki Murakami, 1989
Vi har alla varit där. Du går till sängs, sluter ögonen, filtar ditt sinne och väntar på att medvetandet ska försvinna. Ett tidlöst intervall senare vaknar du upp, utvilad och redo att möta en ny dags utmaningar (notera att du aldrig kan ta dig själv på bar gärning när du förlorar medvetandet!) Men ibland stänger din inre värld inte av – ditt sinne förblir hypervaksamt. Du vänder och vrider dig men kan inte hitta den välsignade lättnaden av sömn. Orsakerna till sömnlösheten kan vara många, men konsekvenserna är alltid desamma: Du är trött dagen därpå, du känner dig sömnig, du sover en tupplur. Uppmärksamheten är otrygg, din reaktionstid blir långsammare, du har sämre kognitiv-emotionell kontroll. Lyckligtvis är trötthet reversibel och försvinner efter en natt eller två med fast sömn.
Vi tillbringar ungefär en tredjedel av våra liv i ett tillstånd av vila, definierat av relativ beteendemässig orörlighet och minskad reaktionsförmåga på yttre stimuli. Kumulativt motsvarar detta flera decennier av sömn under en genomsnittlig människas livstid. Jag vet att du tänker: ”Skulle det inte vara bra om vi kunde minska denna ”bortkastade” tid så att vi kunde göra mer! När jag var yngre levde jag också efter devisen ”Du kan sova när du är död”. Men jag har vaknat upp till det faktum att vi behöver sömn för optimal, långsiktig fysisk och psykisk hälsa.
Människor delar detta behov av daglig sömn med alla flercelliga varelser, vilket alla som vuxit upp med hundar, katter eller andra husdjur vet.
En förståelse för sömnens betydelse kan observeras genom att betrakta själva den biologiska processen. Sömnen är homeostatiskt reglerad med utsökt precision: trycket på att sova byggs upp under dagen tills vi känner oss sömniga på kvällen, gäspar oavbrutet och nickar. Om människor berövas sömn upplever de ett oemotståndligt behov av att söka vila – de blir i själva verket ”sömndruckna”. En äldre term från 1800-talet, som ligger närmare sanningen, är ”cerebral utmattning”, hjärnan kräver sin vila.
I min förra kolumn om medvetande Redux beskrev jag hur kliniker definierar sömn genom att registrera hjärnvågor från ett nät av sensorer för elektroencefalogram (EEG) som placeras på den sovande personens hårbotten. Liksom havsytan är den elektriska hjärnan oavbrutet i rörelse och återspeglar de osynliga, små skakningar i hjärnbarken under skallen som fångas upp av EEG-elektroderna. REM-sömn (Rapid Eye Movement) kännetecknas av lågspända, ojämna, snabbt föränderliga hjärnvågor (paradoxalt nog också typiska för avslappnat vakenhet), medan icke-REM-sömn kännetecknas av långsamt stigande och fallande vågor med större amplitud. Ju djupare och mer vilsam sömnen är, desto långsammare och större är de vågor som återspeglar hjärnans vilande, återhämtande aktivitet. Dessa spänningsoscillationer, som kallas deltavågor, kan vara så långsamma som en gång var fjärde sekund och så snabba som fyra gånger per sekund (det vill säga i frekvensområdet 0,25 till fyra hertz). Genom att ställa in sig på enskilda neuroners urladdning under djupsömn kan man upptäcka diskreta avbrottsperioder, då nervcellerna slutar att generera någon elektrisk aktivitet under 300 till 400 millisekunder. Sådana återkommande tysta perioder, som är synkroniserade över stora delar av hjärnbarken, är den djupa sömnens cellulära kännetecken.
Mikrosömn
Min förra kolumn, ”Att sova med halva hjärnan”, belyste den ökande insikten hos sömnforskare om att det inte är ett allt-eller-inget-fenomen att vara vaken och sova. Bara för att du sover innebär det inte nödvändigtvis att hela din hjärna sover. Omvänt har vi, som jag ska beskriva nu, också lärt oss att även när du är vaken kanske inte hela din hjärna är vaken.
Ett exempel på sömn som inkräktar på vakenhet är korta episoder av sömn som kallas mikrosömn. Dessa intervaller kan inträffa under vilken monoton uppgift som helst, oavsett om man kör långa sträckor genom landet, lyssnar på en talare som tjatar eller deltar i ännu ett oändligt avdelningsmöte. Du är sömnig, ögonen blir hängande, ögonlocken stängs, huvudet nickar upprepade gånger upp och ner för att sedan rycka upp sig: ditt medvetande försvinner.
I ett experiment där man försökte utforska detta tillstånd fick deltagarna följa ett slumpmässigt rörligt mål på en datorskärm med en joystick i 50 minuter. Denna visuomotoriska uppgift är visserligen okomplicerad, men kräver oavbruten uppmärksamhet som blir svår att upprätthålla efter ett tag. I genomsnitt hade deltagarna 79 mikrosömnsepisoder per timme, som varade mellan 1,1 och 6,3 sekunder vardera, vilket ledde till försämrade prestationer. Mikrosömnen visar sig i EEG-registreringen genom en nedåtgående förskjutning från aktivitet som domineras av alfabandet (8 till 13 Hz) till svängningar i thetabandet (4 till 7 Hz).
Perniciöst nog tror försökspersonerna vanligen att de är alerta hela tiden under mikrosömnen utan att minnas någon period av medvetslöshet. Denna missuppfattning kan vara farlig för någon i förarsätet. Mikrosömnen kan vara dödlig när man kör bil eller använder maskiner som tåg eller flygplan, timme efter tråkig timme. Under en mikrosömnsepisod somnar hela hjärnan kortvarigt, vilket väcker frågan om delar av hjärnan kan somna av sig själv, utan att hela organet faller i sömn.
I själva verket upptäckte de italienskfödda neurovetenskapsmännen Chiara Cirelli och Giulio Tononi, som studerar sömn och medvetande vid University of Wisconsin-Madison, ”sömniga nervceller” hos försöksdjur som inte uppvisade några beteendemässiga manifestationer av sömn. I den här forskningen fick 11 vuxna råttor mikrotrådar implanterade i sin främre motoriska cortex, som kontrollerar rörelser. Sensorerna sattes in i kortikalvävnaden och fångade upp både den spänning som kallas lokal fältpotential (LFP), som liknar EEG, och den spikande aktiviteten hos närliggande nervceller. Som väntat dominerades LFP i vaket tillstånd av snabba vågor med låg amplitud som lätt kunde särskiljas från de större och långsammare vågor som är karakteristiska för djup sömn utan REM.
På nivån för enskilda neuroner pratade de vakna djurens kortikala celler på ett oregelbundet, staccatoartat sätt under en längre period. Under djupsömnen däremot upplevde kortikala neuroner uttalade ”on”-perioder av neuronal aktivitet och ”off”-perioder under vilka de är tysta. Denna neuronala retikens uppträder samtidigt över hela cortex. Den alternerar med regelbundna på-perioder, vilket leder till de stigande och fallande hjärnvågorna som är kännetecknande för djup sömn.
Med vetskap om allt detta bestämde sig forskarna för att undersöka saken ytterligare. I stället för att låta råttorna somna vid sin vanliga läggdags sysselsatte försöksledarna djuren med en gnagarversion av videospel på sena kvällar, genom att kontinuerligt utsätta dem för leksaker och andra föremål som de kunde sniffa på, utforska och leka med. De knackade på buren och hindrade dem på annat sätt från att inta en sömnställning eller bli sömniga. Efter fyra timmar av sådan spänning kunde råttorna äntligen slumra.
Som förväntat från tidigare studier på djur och människor började LFP i slutet av sömnbristfasen skifta till lägre frekvenser, vilket är förenligt med idén att trycket på djuren att sova stadigt byggdes upp. En närmare granskning av de elektriska signaturerna avslöjade dock något oväntat: tillfälliga, sporadiska, tysta perioder för alla eller de flesta neuronerna i den registrerade hjärnregionen utan att djuren visade vare sig beteendemässiga eller EEG-manifestationer av mikrosömn. Dessa korta, off-liknande episoder var ofta förknippade med långsamma vågor i LFP. Det motsatta hände under återhämtningssömnen, mot slutet av denna sextimmarsperiod, när trycket på sömnen förmodligen hade avtagit. Vid denna tidpunkt blev stora och långsamma vågor i LFP mer sällsynta och den neuronala aktiviteten blev mer oregelbunden, precis som under vakenhet.
Det verkar som om neuronerna, när de är vakna men sömnlösa, visar tecken på sömnighet, medan enskilda neuroner börjar vakna upp efter timmar av fast sömn. En noggrann statistisk analys bekräftade dessa tendenser: antalet off-perioder ökade under de fyra timmar som råttorna tvingades hålla sig vakna, och den motsatta dynamiken inträffade under återhämtningssömnen.
En fråga var om någon enskild neuron somnade oberoende av någon annan neuron. Eller var denna förekomst mer av ett globalt fenomen, där alla neuroner samtidigt övergår till en avstängd period? Svaret, som erhölls genom att implantera en andra uppsättning mikrotrådar i en annan kortikal region – den parietala cortex, en helt annan region än den motoriska cortexen – var ”ja” på båda frågorna.
Klicka eller tryck på för att förstora
Det vill säga, ibland stängde neuronerna i båda regionerna av tillsammans, medan de vid andra tillfällen gjorde det oberoende av varandra. Men när sömntrycket byggdes upp, efter att ha hållits vaken i flera timmar, blev den neuronala aktiviteten under sömnbrist faktiskt mer globalt synkroniserad (vilket den gör i djupsömn). På samma sätt var det mindre sannolikt att långsamma vågor upptäcktes samtidigt på båda kortikala platserna ju längre djuret sov under återhämtningsperioden. Grupper av neuroner kan lättare rekryteras för att producera de långsamma svängningar som utgör djup sömn när sömntrycket är högt.
Dessa resultat målar upp en mer nyanserad bild av vakenhet och sömn än den rådande, där båda tillstånden betraktades som globala, allt-eller-inget-tillstånd av medvetande. Istället tyder dessa data, som stärks av registreringar av enskilda neuroner från patienter med implanterade mikroelektroder, som ibland används vid epilepsibehandling, på att även när försökspersonen är vaken kan individens neuroner bli trötta och ibland checka ut. Ju tyngre sömntrycket är, desto större är sannolikheten att detta sker samtidigt på många ställen i cortex. Omvänt, efter många timmars vilsam sömn, blir en del av dessa neuroner frikopplade från dessa hjärnomfattande oscillationer och börjar vakna.
Men om neuronerna kopplas bort under sömnbrist, borde det då inte bli en viss försämring av prestationen? När allt kommer omkring måste dessa neuroner tjäna något syfte, och om de slumrar till borde något bli lidande. För att undersöka denna fråga tränade Cirelli, Tononi och deras medarbetare råttorna att sträcka sig med en av sina framtassar genom en smal öppning för att ta tag i en sockerbit på en hylla. Om det görs klumpigt faller bollen av och kan inte längre hämtas.
Lärandet av denna uppgift engagerar en särskild sektor av den motoriska hjärnbarken som genomgår en förändring som en följd av träningen. Genom att leta efter off-perioder medan djuret sträcker sig efter godiset fann forskarna att dessa luckor i den neuronala avfyrningen är mer sannolika att inträffa i den motoriska hjärnbarken en bråkdel av en sekund före ett misslyckat försök att ta tag i pelletsen jämfört med när råttan lyckades plocka upp en godisbit. Faktum är att förekomsten av en enda avbrottsperiod sänkte oddsen för ett lyckat försök med mer än en tredjedel. Dessa effekter var begränsade till den motoriska hjärnbarken och sågs inte i den parietala hjärnbarken, som inte engageras av räckuppgiften. När djuren blev mer sömnlösa försämrades deras allmänna prestationer, vilket är typiskt för sömnlösa människor.
Lokal sömn
Vad denna studie upptäckte är förekomsten av lokal sömn under sömnbrist: isolerade kortikala grupper av neuroner som kortvarigt går avstängda medan djuret, av allt att döma, fortsätter att röra sig och göra det det som det gör. Det är mer sannolikt att lokal sömn uppstår om dessa neuroner är aktivt engagerade, vilket de är när de lär sig att ta tag i en sockerbit. Neuronerna blir också trötta och oengagerade, ett mikrokosmos av vad som händer med hela organismen.
Uppskattningsvis verkar det rimligt att när trycket på sömn ökar, ökar frekvensen av dessa off-händelser och deras övervikt i hjärnbarken, tills aktiviteten i hela hjärnan plötsligt, men kortvarigt, synkroniseras och hjärnan faller in i djupsömn – ögonen stängs och huvudet nickar. Personen går in i mikrosömn.
Sömn är ett fascinerande ämne, även om vi inte medvetet kan uppleva djup sömn, eftersom vårt medvetande är avstängt. Sömn är en fint reglerad aspekt av vår hjärnas dagliga cykel som solen går upp och ner, ett tillstånd vars funktion fortfarande är kontroversiell.
Under det senaste århundradet har kliniker och neurovetenskapsmän upptäckt olika sömnfaser (snabba ögonrörelser och icke snabba ögonrörelser) och de distinkta regionerna i mellanhjärnan och hjärnstammen som är involverade i kontrollen av dem. Dessutom har dessa forskare avmystifierat narkolepsi, när patienterna plötsligt och oemotståndligt somnar, mikrosömn och nu lokal sömn. Vad kommer härnäst?