Sen: reakcja mózgu na dźwięk pozostaje silna
Nowe odkrycie dokonane przez Uniwersytet w Tel Awiwie może stanowić klucz do wielkiej naukowej zagadki: w jaki sposób obudzony mózg przekształca dane sensoryczne w świadome doświadczenie? Przełomowe badanie opierało się na danych zebranych z elektrod wszczepionych, dla celów medycznych, głęboko w ludzki mózg. Informacje te zostały wykorzystane do zbadania różnic pomiędzy reakcją kory mózgowej na dźwięki podczas snu i czuwania, z rozdzielczością pojedynczych neuronów.
Naukowcy z zaskoczeniem odkryli, że odpowiedź mózgu na dźwięk pozostaje silna podczas snu we wszystkich parametrach oprócz jednego: poziomu fal alfa-beta związanych z uwagą na wejście słuchowe i związanymi z tym oczekiwaniami. Oznacza to, że podczas snu mózg analizuje dane wejściowe, ale nie jest w stanie skupić się na dźwięku ani go zidentyfikować, a zatem nie dochodzi do uświadomienia.
Badaniami kierowała dr Hanna Hayat, przy dużym udziale dr Amita Marmelshteina, w laboratorium prof. Yuvala Nira ze Szkoły Medycyny, Szkoły Neuronauki Sagola i Wydziału Inżynierii Biomedycznej, przy współudziale prof. Itzhaka Frieda z Centrum Medycznego UCLA. Wśród pozostałych uczestników znaleźli się: dr Aaron Krom i dr Yaniv Sela z grupy prof. Nira oraz dr Ido Strauss i dr Firas Fahoum z Tel Aviv Sourasky Medical Center (Ichilov). Praca została opublikowana w czasopiśmie Nature Neuroscience.
Prof. Nir: „To badanie jest wyjątkowe, ponieważ opiera się na rzadkich danych z elektrod wszczepionych głęboko w ludzki mózg, umożliwiając monitorowanie w wysokiej rozdzielczości, aż do poziomu pojedynczych neuronów, aktywności elektrycznej mózgu. Ze zrozumiałych względów elektrody nie mogą być wszczepiane do mózgu żywych ludzi tylko po to, by prowadzić badania naukowe. Jednak w tym badaniu mogliśmy wykorzystać specjalną procedurę medyczną, w której elektrody zostały wszczepione do mózgów pacjentów z epilepsją, monitorując aktywność w różnych częściach ich mózgu w celu diagnozy i leczenia. Pacjenci zgłosili się na ochotnika, aby pomóc zbadać reakcję mózgu na stymulację słuchową w stanie czuwania i snu.”
Badacze umieścili głośniki emitujące różne dźwięki przy łóżku pacjentów i porównywali dane z wszczepionych elektrod — aktywność neuronalną i fale elektryczne w różnych obszarach mózgu — podczas czuwania vs. różne etapy snu. W sumie zespół zebrał dane z ponad 700 neuronów, około 50 neuronów u każdego pacjenta, w ciągu 8 lat.
Dr Hayat: „Po odebraniu dźwięków w uchu, sygnały są przekazywane z jednej stacji do następnej w obrębie mózgu. Do niedawna uważano, że podczas snu sygnały te szybko zanikają po dotarciu do kory mózgowej. Jednak patrząc na dane z elektrod, ze zdziwieniem odkryliśmy, że odpowiedź mózgu podczas snu była znacznie silniejsza i bogatsza niż się spodziewaliśmy. Co więcej, ta silna odpowiedź rozprzestrzeniała się na wiele regionów kory mózgowej. Siła odpowiedzi mózgu podczas snu była podobna do odpowiedzi obserwowanej podczas czuwania, we wszystkich cechach poza jedną specyficzną, gdzie zarejestrowano dramatyczną różnicę: poziom aktywności fal alfa-beta.”
Badacze wyjaśniają, że fale alfa-beta (10-30 Hz) są związane z procesami uwagi i oczekiwania, które są kontrolowane przez sprzężenie zwrotne z wyższych regionów mózgu. W miarę jak sygnały wędrują „oddolnie” z narządów zmysłów do wyższych regionów, następuje również ruch „odgórny”: wyższe regiony, polegając na wcześniejszych informacjach, które nagromadziły się w mózgu, działają jak przewodnik, wysyłając w dół sygnały instruujące regiony zmysłów, na których wejściach należy się skupić, które należy zignorować, itp. Tak więc, na przykład, kiedy do ucha dociera pewien dźwięk, wyższe regiony mogą stwierdzić, czy jest on nowy czy znany i czy zasługuje na uwagę czy nie. Ten rodzaj aktywności mózgu przejawia się w tłumieniu fal alfa-beta i rzeczywiście, poprzednie badania wykazały wysoki poziom tych fal w stanach spoczynku i znieczulenia. Według obecnego badania, siła fal alfa-beta jest główną różnicą pomiędzy odpowiedzią mózgu na wejścia słuchowe w stanach czuwania vs. snu.
Prof. Nir podsumowuje: „Nasze odkrycia mają szerokie implikacje poza tym konkretnym eksperymentem. Po pierwsze, dostarczają ważnego klucza do starożytnej, fascynującej zagadki: Jaki jest sekret świadomości? Czym jest 'czynnik X’, aktywność mózgu, która jest unikalna dla świadomości, pozwalając nam być świadomym rzeczy, które dzieją się wokół nas, gdy jesteśmy obudzeni, a znikają, gdy śpimy? W tym badaniu odkryliśmy nowy trop, a w przyszłych badaniach zamierzamy dalej badać mechanizmy odpowiedzialne za tę różnicę.
„Ponadto, po zidentyfikowaniu specyficznej cechy mózgu, która różni się między stanami świadomości i nieświadomości, mamy teraz wyraźną miarę ilościową – pierwszą w swoim rodzaju – do oceny świadomości osoby na temat nadchodzących dźwięków. Mamy nadzieję, że w przyszłości, dzięki ulepszonym technikom pomiaru fal mózgowych alfa-beta oraz nieinwazyjnym metodom monitorowania, takim jak EEG, możliwe będzie dokładne określenie stanu świadomości danej osoby w różnych sytuacjach: sprawdzenie, czy pacjenci pozostają nieprzytomni podczas zabiegu chirurgicznego, monitorowanie świadomości osób z demencją lub określenie, czy rzekomo śpiąca osoba, niezdolna do komunikowania się, jest rzeczywiście nieświadoma swojego otoczenia. W takich przypadkach niski poziom fal alfa-beta w odpowiedzi na dźwięk mógłby sugerować, że osoba uznana za nieprzytomną może w rzeczywistości odbierać i rozumieć słowa wypowiadane wokół niej. Mamy nadzieję, że nasze odkrycia posłużą jako podstawa do opracowania nowych, skutecznych metod pomiaru poziomu świadomości osób, które rzekomo znajdują się w różnych stanach nieświadomości.”
Źródło: Tel-Aviv University