Еще недавно считалось, что у дельфинов есть высшее благо, в виде поочередного сна для полушарий. Однако, работа мозга несколько тоньше. И у нас тоже может быть небольшой участок, который аномально ведет себя как в режиме бодрствования, так и в процессе сна.

Впервые ученые обнаружили, что небольшая область мозга отключается, чтобы вздремнуть на микросекунды, пока мы бодрствуем. Более того, эти же области активизируются и бодрствуют, когда мы спим. Это ключ к пониманию нейродегенеративных заболеваний и заболеваний, связанных с нарушением регуляции сна.

Первопричина интереса к загадочной области

Ученые из Университета Вашингтона в Сент‑Луисе (WashU) и Калифорнийского университета в Санта‑Крузе (UCSC) случайно заметили, как активность в одной крошечной области мозга внезапно пропадает всего на миллисекунды, когда мы бодрствуем. И в этой же области активность внезапно проявляется на такое же количество времени, но когда мы спим.

Состояние сна и его особенности

С мощными инструментами и новыми вычислительными методами можно многого добиться, бросив вызов самым базовым предположениям и переосмыслив вопрос «что такое состояние сна?». Сон или бодрствование — это два ключевых фактора, определяющих наше поведение, а все остальное следует уже из этого. Так что если мы не понимаем, что такое сон и бодрствование на самом деле, то, похоже, мы упустили свой шанс разобраться в природе мозга.
Кит Хенген, доцент кафедры биологии в Вашингтонском университете.

До сих пор состояния сна и бодрствования определялись общими паттернами мозговых волн. Альфа‑, бета‑ и тета‑волны определяют наше состояние когда мы бодрствуем, и дельта‑волны указывают на то, что мы спим. Поэтому аномальное «мерцание» бросает вызов всему тому, что ученые до сих пор знали о состояниях мозга. Видимо, это еще один подход к нейрохакингу?

Для нас, ученых, было сюрпризом обнаружить, что различные части мозга на самом деле немного дремлют, когда мы бодрствуем.
Дэвид Хаусслер, профессор биомолекулярной инженерии в Калифорнийском университете в Санта‑Крузе.

Суть исследования сна

В четырехлетнем исследовании, в ходе которого было собрано огромное количество электрофизиологических данных, ученые записали мозговую активность в 10 различных областях мозга у мышей. В течение нескольких месяцев они отслеживали активность небольших групп нейронов вплоть до микросекунд. Затем на петабайтах данных была обучена нейросеть, её цель — выявлять закономерности и выделять микросекундные аномалии, которые пропустили исследования на людях.

Теперь мы видим информацию на беспрецедентном уровне детализации. Раньше было ощущение, что в этой области нет ничего интересного, и что вся важная информация находится в волнах с более низкой частотой. В итоге, если вы проигнорируете обычные измерения и просто посмотрите на детали высокочастотного измерения длящегося тысячную долю секунды, то получите достаточно информации, чтобы понять, спит ткань или нет. Это говорит нам о том, что что‑то происходит в нашем мозге на крайне малом масштабе. Это новый намек касательно того, что может происходить во сне.
Кит Хенген, доцент кафедры биологии в Вашингтонском университете.

Погружаясь в детали того, как работает мозг

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 наблюдаемыми ранее закономерностями. Но характерна для сна, который обычно характеризуется медленно движущимися дельта‑волнами. При этом активность между этими нейронами меняется в состоянии бодрствования. Эту специфическую активность в обычном состоянии команда назвала «мерцаниями».

Вечное сияние бодрого разума

Мы изучили отдельные моменты времени, когда активизировались нейроны, и было совершенно ясно, что нейроны меняли свое состояние. В некоторых случаях эти мерцания могли быть ограничены только малым участком мозга, возможно, размером в несколько нейронов.
Эйдан Шнайдер, исследователь из Вашингтонского университета.

Буквально пару недель назад на публиковался материал о том, что наш мозг существует в неком фазовом состоянии. Дескать, он находится в критической точке, и, возможно, нахождение между сном и бодрствованием немного определяет это состояние.

Мы собрали всю информацию, которую нейробиология использует для понимания, определения и анализа сна за последние сто лет, и задались вопросом: «Может ли эта модель работать с учетом новых данных?».Это позволило нам изучить сигналы, которые мы раньше не понимали. По сути, данные показывали, что даже когда мы бодрствуем, в этой небольшой области мозга несколько нейронов переключаются в режим сна, в то время как остальная часть мозга продолжает функционировать в обычном режиме.
Дэвид Паркс, исследователь из Калифорнийского университета в Санта‑Крузе.

Переход между состояниями

Затем исследователи попытались увидеть физическую реакцию, на период микродремоты, что длится доли секунды. Они были удивлены, увидев, что бодрые мыши на короткое время «отключались», а во время сна животные дергались в те же самые моменты «мерцания».

Мы видим «мерцания» при переходе от бодрствования к быстрому сну, от быстрого сна к глубокому сну — мы видим все эти возможные комбинации, и они идут вразрез с моделью, построенной вокруг последних ста лет исследований. Я думаю, эти мерцания и есть макро разделение между сном и бодрствованием на уровне всего животного, и фундаментальной единицей состояний в мозге — быстрыми и локальными паттернами активности.
Эйдан Шнайдер, исследователь из Вашингтонского университета.

Результаты исследования могут дают новое представление о состояниях, связанных с нарушением регуляции сна. И как результат, могут стать новой мишенью при лечении заболеваний, связанных с нарушением развития нервной системы, и нейродегенеративными заболеваниями.

Больше материалов на темы сна, измененного состояния сознания, работы мозга, искусственно выращенном мозге — вы найдете в телеграм канале. Подписывайтесь, чтобы не пропускать свежие статьи!

Часть мозга дремлет, пока мы бодрствуем, и просыпается, когда мы спим