Новое открытие: что происходит с мозгом во время того, как человек дремлет

Новое исследование, проведенное на мышах, показывает, что существуют модели активности мозга, связанные со сном, которые исследователи ранее не замечали. Они отражают состояние отдельных клеток мозга, а не коллективную активность миллионов или миллиардов нейронов.

Более того, измеряя эти гиперлокальные, субмиллиметровые сигналы мозга с помощью однопроводных электродов, исследователи обнаружили, что отдельные участки мозга млекопитающих могут дремать, в то время как другие области бодрствуют.

«Для нас, ученых, было удивительно обнаружить, что различные части нашего мозга на самом деле немного дремлют, в то время как остальная часть мозга бодрствует», — говорит Дэвид Хаусслер, биоинформатик из Калифорнийского университета в Санта-Крузе и старший автор исследования.

Уже около века для количественного определения разницы между сном и бодрствованием используются схемы электрической активности всего мозга. Чаще всего эти мозговые волны определяются с помощью электроэнцефалограммы (ЭЭГ) через электроды, расположенные на коже головы. Но Хаусслер и его команда поставили под сомнение то, как измеряется сон и отличия его от бодрствования — в то время как в мозге животных, которые остаются бодрыми во время сна, существует некоторое пересечение, известное как однополушарный медленноволновой сон.

В 1960-х годах исследователи сначала заподозрили, а затем обнаружили, что у дельфинов и других китообразных половина мозга может отдыхать, оставаясь активной, иногда держа один глаз открытым, чтобы следить за хищниками и поддерживать контакт с другими членами стаи. Тюлени и птицы также демонстрируют вариации этого частично спящего, частично бодрствующего отдыха — разумный компромисс между сном и выживанием. Люди тоже могут временно демонстрировать асимметричные режимы сна, которые напоминают, но не похожи на те, что наблюдаются у животных.

В 2016 году исследователи из Университета Брауна (США) обнаружили, что в первую ночь, когда люди спали в незнакомом месте, левая сторона мозга была более бдительной к необычным звукам, чем правая. Когда человек привыкает к обстановке сна, эта разница исчезает.

«Человеческий мозг, оказывается, наделен менее драматичной формой однополушарного сна, который встречается у птиц и некоторых млекопитающих, — написал нейробиолог Кристоф Кох в журнале Scientific American, когда эти результаты были опубликованы. — Если мышиный мозг — это то, что нужно, то размытость состояний бодрствования и сна у людей может быть неврологической особенностью, которую мы разделяем с другими животными».

Хаусслер и его команда в течение нескольких недель собирали данные о девяти мышах, которым в 10 различных областях мозга были вживлены тонкопроволочные электроды, и вводили их в искусственную нейронную сеть, которая училась различать состояния сна и бодрствования. Записи были сделаны со 100 микрометров (одна десятая миллиметра) ткани мозга, и алгоритм смог надежно определить циклы сна и бодрствования на основе коротких «мерцаний» в активности клеток мозга длительностью всего от 10 до 100 миллисекунд.

Эти «гиперлокальные» сигналы свидетельствовали о том, что часть мозга животных погружалась в сон, в то время как другие области оставались активными и бодрствовали. По совпадению, исследователи заметили, что это происходит именно тогда, когда мышь на долю секунды перестает двигаться, как будто «отключается».

«Мы могли наблюдать отдельные моменты времени, когда эти нейроны срабатывали, и было совершенно ясно, что нейроны переходили в другое состояние», — объясняет Эйден Шнайдер, биолог-вычислитель, который руководил исследованием вместе с Дэвидом Парксом, аспирантом факультета информатики. — В некоторых случаях эти мерцания могут быть ограничены областью отдельного участка мозга, а может быть, и того меньше».

Команда считает, что их новый метод измерения состояния сна и бодрствования может раскрыть новые секреты о том, как дремлют люди, если эти «мерцания» смогут наблюдать другие исследовательские группы. «Мерцания нарушают правила, которые можно было бы ожидать, основываясь на столетней литературе», — говорит нейробиолог Кит Хенген из Вашингтонского университета в Сент-Луисе.

Ранее исследования показали, как нейроны, которые активируются в области мозга, отвечающей за память, во время сна не только возвращаются к прошлым воспоминаниям, но и могут предвидеть будущие события. Эти нейроны прогнозируют возможные действия и ситуации, которые еще не произошли, выполняя своего рода репетицию будущих сценариев.