Учёные впервые обнаружили, что небольшая область нашего мозга отключается, чтобы вздремнуть длительностью в микросекунды, пока мы бодрствуем. Более того, эти же области «мерцают» во время бодрствования, пока мы спим. Эти новые результаты могут дать ключевое понимание проблем развития нервной системы и нейродегенеративных заболеваний, которые связаны с нарушением регуляции сна.
Ученые из Вашингтонского университета в Сент-Луисе (WashU) и Калифорнийского университета в Санта-Крузе (UCSC) сделали эти выводы случайно, заметив, как мозговые волны в одной крошечной области мозга внезапно отключаются всего на несколько секунд. миллисекунды, когда мы бодрствуем. И в этой же области эти мозговые волны внезапно встряхиваются на такое же время, когда мы спим.
«Благодаря мощным инструментам и новым вычислительным методам можно многого добиться, бросив вызов нашим самым базовым предположениям и пересмотрев вопрос о том, что такое государство?» — сказал Кейт Хенген, доцент кафедры биологии Вашингтонского университета. «Сон или бодрствование — это единственный важнейший фактор, определяющий ваше поведение, а затем все остальное выпадает оттуда. Так что, если мы не понимаем, что такое сон и бодрствование, похоже, мы упустили лодку».
До сих пор состояния сна и бодрствования определялись общими паттернами мозговых волн – альфа-, бета- и тета-волны, когда мы бодрствуем, дельта-волны, когда мы не бодрствуем, – поэтому эти «мерцающие» аномалии бросают вызов тому, о чем мы до сих пор знали. эти отдельные состояния.
«Для нас, учёных, было удивительно обнаружить, что разные части нашего мозга на самом деле немного дремлют, когда остальная часть мозга бодрствует, хотя многие люди, возможно, уже подозревали это в своих супруга», — пошутил Дэвид Хаусслер, профессор биомолекулярной инженерии Калифорнийского университета в Калифорнии.
В ходе четырехлетнего исследования, в ходе которого было собрано огромное количество электрофизиологических данных, ученые зафиксировали напряжение мозговых волн в 10 различных областях мозга у 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 изолировать микросекундные аномалии, которые не были учтены исследованиями на людях.
«Мы видим информацию на беспрецедентном уровне детализации», — сказал Хаусслер. «Предыдущее ощущение было, что там ничего не будет найдено, что вся соответствующая информация находилась в более медленных частотах волн. В этой статье говорится, что если вы проигнорируете традиционные измерения и просто посмотрите на детали высокочастотных измерений в течение всего лишь тысячной доли секунды, этого будет достаточно, чтобы определить, спит ткань или нет. Это говорит нам о том, что что-то происходит очень быстро – это новый намек на то, что может происходить во сне».
С помощью машинного обучения ученые сосредоточились на миллисекундных отрезках данных мозговой активности и обнаружили, что быстрая активность между парой нейронов в одной области, по-видимому, идет вразрез с закономерностями, но является основополагающей для сна, который обычно представлен медленно движущимися дельта-волнами. И они наблюдали противоположную скорость активности в периоды, которые классически определяются как бодрствование – которые команда назвала «мерцаниями».
«Мы извлекли всю информацию, которую нейробиология использовала для понимания, определения и анализа сна за последнее столетие, и спросили: «Может ли модель все еще учиться в таких условиях?» — сказал Дэвид Паркс, исследователь из UCSC. . «Это позволило нам изучить сигналы, которые мы раньше не понимали».
По сути, данные показали, что даже когда мы бодрствуем, в этой небольшой области мозга несколько нейроны переходят в спящий режим, а остальной орган продолжает работать в обычном режиме.
«Мы могли посмотреть на отдельные моменты времени, когда эти нейроны сработали, и было совершенно ясно, что [нейроны] переходили в другое состояние», — сказал Эйдан Шнайдер, исследователь из Университета Вашингтона. «В некоторых случаях эти мерцания могут ограничиваться областью отдельного участка мозга, а может быть, даже меньшего размера».
Затем исследователи попытались увидеть, какую физическую реакцию можно наблюдать во время этих доли секунды микродремоты. Они были удивлены, увидев, что мыши на короткое время выглядели так, будто «выключились», и во время сна животные подергивались в те же самые моменты «мерцания».
«Мы видим, как пробуждение происходит с мерцанием быстрого сна, а фаза быстрого сна – с неактивным. -Мерцает быстрый сон – мы видим все эти возможные комбинации, и они нарушают правила, которые можно было бы ожидать, основываясь на столетней литературе», – сказал Хенген. «Я думаю, они раскрывают разделение между макросостоянием (сном и бодрствованием на уровне всего животного) и фундаментальной единицей состояния мозга — быстрыми и локальными паттернами».
Результаты может предложить новое понимание состояний, связанных с нарушением регуляции сна, что станет новой целью для лечения заболеваний нервной системы и нейродегенеративных заболеваний.
«Это потенциально дает нам очень, очень острый скальпель, с помощью которого можно вникнуть в эти вопросы. болезней и расстройств», — сказал Хенген. «Чем больше мы понимаем фундаментальные понятия сна и бодрствования, тем больше мы можем решать соответствующие клинические проблемы и проблемы, связанные с заболеваниями».
Исследование было опубликовано в журнале Nature Neuroscience.
