Наш мозг дремлет, пока мы бодрствуем, и просыпается, когда мы спим
Ученые из Вашингтонского университета в Сент-Луисе (WashU) и Калифорнийского университета в Санта-Крузе (UCSC) пришли к своему открытию совершенно случайно. В рамках своей недавней работы они заметили, как мозговые волны в одной крошечной области мозга внезапно отключаются всего на миллисекунды, когда мы бодрствуем. И в этой же области эти мозговые волны внезапно вспыхивают на такое же время, когда мы спим.
Что показало новое исследование
До сих пор состояния сна и бодрствования определялись общими паттернами мозговых волн — альфа-, бета- и тета-волнами, когда мы бодрствуем, и дельта-волнами, когда мы спим, — поэтому эти аномалии «мерцания» бросают вызов тому, что мы до сих пор понимали об этих различных состояниях.
В ходе четырехлетнего исследования, во время которого было собрано огромное количество электрофизиологических данных, ученые регистрировали напряжение мозговых волн в 10 различных областях мозга мышей. В течение нескольких месяцев они отслеживали активность небольших групп нейронов с точностью до микросекунды. Затем искусственная нейронная сеть проанализировала петабайты данных, чтобы выявить закономерности и выделить микросекундные аномалии, которые были упущены в исследованиях на людях.
«Мы видим информацию на беспрецедентном уровне детализации», — говорят авторы работы. «Раньше казалось, что там ничего не найдешь, что вся важная информация содержится в более низкочастотных волнах. В нашей статье говорится, что если вы проигнорируете обычные измерения и просто посмотрите на детали высокочастотного измерения, длящегося всего одну тысячную секунды, этого будет достаточно, чтобы определить, находится ли ткань в состоянии покоя или нет. Это говорит нам о том, что что-то происходит в очень быстром масштабе — это новый намек на то, что может происходить во сне».
С помощью машинного обучения ученые проанализировали данные о мозговой активности на протяжении миллисекунд и обнаружили, что быстрая активность между парой нейронов в одной области, по-видимому, противоречит общему правилу, но имеет основополагающее значение для сна, который обычно проявляется в виде медленно движущихся дельта-волн. И они наблюдали противоположный уровень активности в периоды, классически определяемые как бодрствование.
По сути, полученные данные показали, что даже когда мы бодрствуем, в этой небольшой области мозга несколько нейронов переключаются в спящий режим, в то время как остальная часть органа продолжает функционировать в обычном режиме.
Исследователи попытались выяснить, какую физическую реакцию можно было наблюдать во время этих кратковременных заминок. Они были удивлены, увидев, что мыши на короткое время казались «отключившимися» во время бодрствования, а во время сна животные вздрагивали в те же самые моменты «мерцания».
Полученные результаты могут дать новое представление о состояниях, связанных с нарушением регуляции сна, и стать новой мишенью для лечения нарушений развития нервной системы и нейродегенеративных заболеваний.