Niektóre rejony mózgu mogą zasypiać na ułamki sekund, podczas gdy inne pozostają aktywne. Jak to możliwe?

W tym artykule:

1. Jak działa mózg
2. Badania na myszach
3. Niektóre rejony mózgu śpią, inne nie
4. Jak śpi mózg?

Trudno pomylić ze sobą sen i przebywanie na jawie. Granica między jednym a drugim stanem najczęściej jest bardzo wyraźna. Zaciera się tylko w czasie snów nasyconych szczegółami ze świata rzeczywistego. Tak samo wyraźna jest ta granica dla naukowców. Gdy mózg wysyła wolne fale mózgowe – trwające kilka dziesiętnych części sekundy – to naukowy dowód, że śpimy. Gdy zaś EEG pokazuje wykres z kilkudziesięcioma górkami na sekundę, pozostajemy świadomi.

A przynajmniej tak było dotychczas. W najnowszym numerze czasopisma naukowego „Nature Neuroscience” ukazała się zaskakująca praca. Jej autorzy twierdzą, że sen da się wykryć, analizując „wycinki” aktywności mózgu trwające zaledwie milisekundy – czyli tysięczne części sekundy. Jeszcze bardziej przełomowy jest drugi wniosek. Niewielkie rejony mózgu mogą na ułamek sekundy „obudzić się”, podczas gdy cała reszta śpi. I na odwrót – niewielka część naszego mózgu może zapaść w sen, gdy przebywamy na jawie.

Jak działa mózg

Neuronaukowcy badają pracę mózgu, rejestrując jego aktywność bioelektryczną. Służy do tego elektroencefalografia (czyli badania EEG). Aktywność bioelektryczna mózgu układa się w cykle, zwane falami mózgowymi. Mają one różne częstotliwości.

Najwolniejsze fale – delta i theta – wysyłane są przez mózg wtedy, kiedy śpimy. Podczas najgłębszego snu nasz mózg emituje fale delta o częstotliwości wynoszącej tylko 0,5–4 Hz. Wykres EEG ma wówczas najmniej „grzbietów”. Częstotliwość 1 Hz oznacza, że fala pojawia się dokładnie raz na sekundę.

To wyjaśnienie jest niezbędne, by zrozumieć zaskoczenie autorów najnowszych badań nad snem. Wyniki, które uzyskali, wskazują, że powyższy opis jest co najmniej niekompletny. A być może również głęboko nieprecyzyjny. Ich analiza trwała cztery lata i została wykonana z użyciem specjalnie napisanego i wytrenowanego modelu uczenia maszynowego.

Badania na myszach

Danych dostarczyły badania na myszach. Przeprowadzono je w laboratorium Keitha Hengena z Uniwersytetu Waszyngtońskiego w St. Louis. Myszy przez miesiąc nosiły miniaturowe czepki EEG, które rejestrowały aktywność dziesięciu regionów ich mózgu z dokładnością do ułamków sekundy. Badanie dostarczyło petabajtów danych, które następnie zostały przekazane do wytrenowanego wcześniej modelu AI.

Ku zaskoczeniu naukowców okazało się, że model trafnie rozpoznaje, czy mysz spała, czy nie, już na podstawie danych o milisekundach aktywności mózgu. Na pozór nie ma to sensu. To tak, jakby pociąć piosenkę na kawałki o długości ułamka sekund. A potem na podstawie pojedynczego kawałka wnioskować w rytmie całego utworu.

Hengen, profesor biologii, długo nie mógł uwierzyć we wnioski przedstawiane mu przez kolegów. Ci analizowali z pomocą modelu coraz krótsze wycinki o coraz większych częstotliwościach.

Do czego to doprowadziło? „Analizując dane, udało się ustalić, że hiperszybki wzorzec aktywności zaledwie kilku neuronów był podstawowym elementem snu wykrywanym przez model” – można przeczytać w informacji prasowej. „Co najważniejsze, takich wzorców nie da się wytłumaczyć tradycyjnymi, powolnymi falami. Naukowcy podejrzewali, że wolne fale mogą koordynować szybkie, lokalne wzorce aktywności. Jednak ostatecznie doszli do wniosku, że szybkie wzorce są znacznie bliższe prawdziwej istocie snu”.

Niektóre rejony mózgu śpią, inne nie

Kolejnym etapem badań była analiza danych podzielonych na regiony mózgu. I tu ujawnił się drugi fenomen. Naukowcy na początku sądzili, że uzyskali błąd – model wskazywał, że gdy cały mózg był na jawie, jedna jego część nagle zapadała w sen. I na odwrót. Trwało to bardzo krótko, ułamek sekundy. Badacze nazwali to „migotaniem”.

Czy „migotanie” mózgu widać? – Powiedzmy, że niewielka część twojego mózgu zasypia, gdy nie śpisz. Czy to oznacza, że twoje zachowanie nagle wygląda, jakbyś spał? Zaczęliśmy zauważać, że często tak było – mówi Aidan Schneider, współautor pracy. W przypadku myszy zwierzę na moment przerywało aktywność, jakby się „zawieszało”. Gdy zaś do migotania dochodziło podczas snu (czyli jeden region mózgu uaktywniał się, podczas gdy reszta spała), zwierzę drgało przez sen.

Niezniszczalny jak mózg. Dlaczego ludzkie mózgi potrafią przetrwać w nienaruszonym stanie nawet 12 tys. lat?

Naukowcy stworzyli bazę znalezionych na przestrzeni wieków ludzkich mózgów. Może ona pomóc wyjaśnić jedną z dziwnych zagadek naukowych. Co sprawia, że ludzkie mózgi potrafią przetrwać ...

Jak śpi mózg?

– Dzięki potężnym narzędziom i nowym metodom obliczeniowym można wiele zyskać, podważając nasze najbardziej podstawowe przekonania – mówi Hengen. – Sen lub czuwanie jest najważniejszym wyznacznikiem naszego zachowania. Jeśli więc nie rozumiemy, czym właściwie jest sen i czuwanie, wydaje się, że coś nam umknęło – dodaje. – Dla nas, naukowców, zaskakujące było odkrycie, że różne części naszego mózgu tak naprawdę robią krótkie drzemki, gdy reszta mózgu nie śpi – dodaje David Haussler z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Cruz.

Zdaniem badaczy należy wprowadzić rozróżnienie między makrostanem – gdy cały organizm śpi lub czuwa – i zupełnie nową jednostką stanu lokalnego mózgu. Pewne jest, że ich wnioski zostaną teraz sprawdzone przez inne zespoły. Wówczas okaże się, czy podręczniki do neuronauk należy napisać na nowo.

Źródło: Phys.org, Nature Neuroscience.

Nasz ekspert

Magdalena Salik

Dziennikarka naukowa i pisarka, przez wiele lat sekretarz redakcji i zastępczyni redaktora naczelnego magazynu „Focus". Wcześniej redaktorka działu naukowego „Dziennika. Polska, Europa, Świat”. Pasjami czyta i pisze, miłośniczka literatury popularnonaukowej i komputerowych gier RPG. Więcej: magdalenasalik.wordpress.com