Медленный сон повышает когнитивные способности за счет синхронизации мозга

Фото из открытых источников

Хотя общеизвестно, что сон улучшает когнитивные способности, основные нейронные механизмы, особенно те, которые связаны с небыстрым движением глаз (NREM-сном), остаются в значительной степени неизученными. Новое исследование, проведенное группой исследователей из Университета Райса и Центра восстановления нейронных систем Хьюстонской методистской школы и Медицинского колледжа Вейла Корнелла, координируемое Валентином Драгоем из Райса, тем не менее, раскрыло ключевой механизм, посредством которого сон улучшает нейронную и поведенческую производительность, потенциально изменяя наше фундаментальное понимание того, как сон повышает мозговую активность.

Исследование, опубликованное в журнале Science, показывает, как сон NREM - более легкий сон, который человек испытывает, когда дремлет, например - способствует синхронизации мозга и улучшает кодирование информации, проливая новый свет на эту стадию сна. Исследователи воспроизвели эти эффекты с помощью инвазивной стимуляции, что предполагает многообещающие возможности для будущих методов нейромодуляционной терапии у людей. Последствия этого открытия потенциально прокладывают путь для инновационных методов лечения расстройств сна и даже методов улучшения когнитивных и поведенческих показателей.

Исследование включало изучение нейронной активности в нескольких областях мозга у макак, пока животные выполняли задачу визуального различения до и после 30-минутного периода медленного сна. Используя многоэлектродные массивы, исследователи зарегистрировали активность тысяч нейронов в трех областях мозга: первичной и средней зрительной коре и дорсолатеральной префронтальной коре, которые связаны с визуальной обработкой и исполнительными функциями. Чтобы подтвердить, что макаки находились в состоянии медленного сна, исследователи использовали полисомнографию для мониторинга их мозговой и мышечной активности наряду с видеоанализом, чтобы убедиться, что их глаза закрыты, а их тела расслаблены.

Результаты показали, что сон улучшил производительность животных в визуальной задаче, повысив точность различения вращающихся изображений. Важно, что это улучшение было уникальным для тех, кто действительно заснул - макаки, которые испытали тихое бодрствование без засыпания, не показали такого же повышения производительности.

«Во время сна мы наблюдали увеличение активности низкочастотных дельта-волн и синхронизированную активацию нейронов в разных областях коры», — сказала соавтор исследования Наташа Харас. «Однако после сна активность нейронов стала более десинхронизированной по сравнению с тем, что было до сна, что позволило нейронам активироваться более независимо. Этот сдвиг привел к повышению точности обработки информации и производительности в визуальных задачах».

Исследователи также смоделировали нейронные эффекты сна посредством низкочастотной электрической стимуляции зрительной коры. Они применили 4-герцовую стимуляцию для имитации дельта-частоты, наблюдаемой во время NREM-сна, когда животные бодрствовали. Эта искусственная стимуляция воспроизвела эффект десинхронизации, наблюдаемый после сна, и аналогичным образом улучшила выполнение задач животными, что предполагает, что определенные модели электрической стимуляции потенциально могут использоваться для имитации когнитивных преимуществ сна.

«Это открытие имеет важное значение, поскольку оно предполагает, что некоторые из восстанавливающих и повышающих производительность эффектов сна могут быть достигнуты без необходимости в реальном сне», — сказал профессор Драгой. «Возможность воспроизводить подобную сну нейронную десинхронизацию в состоянии бодрствования открывает новые возможности для улучшения когнитивных и перцептивных показателей в ситуациях, когда сон невозможен — например, для людей с расстройствами сна или в смягчающих обстоятельствах, таких как исследование космоса».

Исследователи дополнительно изучили свои выводы, построив большую модель нейронной сети. Они обнаружили, что во время сна как возбуждающие, так и тормозные связи в мозге ослабевают, но делают это асимметрично, делая тормозные связи слабее возбуждающих, что приводит к увеличению возбуждения.

«Мы обнаружили удивительное решение, которое мозг использует после сна, при котором нейронные популяции, участвующие в задаче, снижают свой уровень синхронности после сна, несмотря на получение синхронизирующих сигналов во время самого сна», — сказал Драгой.

Идея о том, что медленный сон эффективно «стимулирует» работу мозга, и что эту перезагрузку можно имитировать искусственно, открывает потенциал для разработки терапевтических методов стимуляции мозга с целью улучшения когнитивных функций и памяти.

«Наше исследование не только углубляет наше механистическое понимание роли сна в когнитивных функциях, но и открывает новые горизонты, показывая, что определенные модели стимуляции мозга могут заменить некоторые преимущества сна, указывая на будущее, в котором мы сможем улучшать работу мозга независимо от самого сна», - сказал Валентин Драгой.