Ритмы мозга замедляются во время сна двумя различными способами

Фото из открытых источников

Новое исследование, опубликованное в The Journal of Neuroscience, раскрыло, как внутренние механизмы синхронизации человеческого мозга смещаются во время сна. Исследователи проанализировали электрические записи 106 пациентов и обнаружили, что два разных вида мозговых временных шкал — основанные на широких и гамма-частотных мозговых сигналах — оба стали длиннее во время сна. Однако эти временные шкалы следовали противоположным организационным закономерностям в коре головного мозга. В то время как широкополосные временные шкалы увеличивались в соответствии с известной иерархией сенсорно-ассоциативных связей, гамма-шкалы уменьшались. Исследование предполагает, что естественные ритмы мозга замедляются во время сна, но по-разному в зависимости от типа сигнала и области мозга.

Исследователи интересовались фундаментальным вопросом: как изменяется время мозговой активности — ее так называемые «временные шкалы» — во время сна? В нейробиологии временные шкалы относятся к тому, как долго нейронные сигналы остаются автокоррелированными, или как долго сигнал «помнит» свое прошлое. Эти временные шкалы различаются в зависимости от мозга и, как считается, связаны с тем, как обрабатывается и интегрируется информация.

Сенсорные области, например, обычно показывают более короткие временные шкалы, подходящие для быстрого реагирования на внешний ввод, в то время как ассоциативные области, участвующие в более сложной обработке, обычно показывают более длинные. Предыдущие исследования показали, что временные шкалы удлиняются во время сна, но природа этих изменений и то, как они организованы в мозге, оставались неясными.

Чтобы исследовать это, исследовательская группа проанализировала записи внутричерепной электроэнцефалографии (iEEG) 106 человек с эпилепсией, которым были имплантированы электроды для клинических целей. Данные были получены из общедоступной базы данных и включали мозговую активность, зарегистрированную во время бодрствования, глубокого сна без быстрого сна (также называемого NREM3) и быстрого сна. Возраст участников варьировался от 13 до 62 лет, в выборке было 48 женщин. Исследователи сосредоточились на 1-минутных записях во время каждого состояния и изучили активность более чем из 1000 электродных участков, распределенных по коре.

Команда извлекла из данных два различных вида временных шкал. Одна была получена из широкополосного сигнала iEEG, который захватывает широкий диапазон мозговой активности от медленных до быстрых частот (0,5–80 Гц). Другая была получена из мощности гамма-диапазона (40–80 Гц), более быстрого ритма, связанного с сенсорной обработкой и когнитивными функциями. Они измерили временные шкалы с помощью функции автокорреляции, которая показывает, как долго сигнал похож на себя с течением времени, и подогнали их к модели экспоненциального затухания. Они также оценили пространственные корреляции между областями мозга, вычислив, насколько синхронизированы сигналы между различными парами электродов.

Исследователи обнаружили, что как широкополосные, так и гамма-шкалы времени стали длиннее во время сна по сравнению с бодрствованием. В глубоком не-БДГ-сне широкополосные временные шкалы увеличились в среднем примерно на 105 миллисекунд в областях мозга, в то время как гамма-шкалы увеличились примерно на 31 миллисекунду. Во время быстрого сна оба также показали небольшое увеличение, но эффекты были намного меньше. Важно, что эти изменения следовали разным закономерностям в зависимости от типа сигнала.

Широкополосные временные шкалы следовали известной иерархии в мозге. Как в бодрствовании, так и в глубоком сне они увеличивались от сенсорных областей, таких как зрительная кора, к областям более высокого порядка, таким как медиальная височная доля и орбитофронтальная кора. Эта модель соответствовала предыдущим выводам и подтверждает идею о том, что ассоциативные области естественным образом работают в более медленных временных масштабах, интегрируя информацию за более длительные периоды.

Однако гамма-шкалы времени следовали противоположной тенденции. Во время сна они становились длиннее в сенсорных областях, таких как зрительная и слуховая кора, и короче в ассоциативных областях. Это изменение типичной иерархии предполагает, что гамма-шкалы времени могут выполнять различные функции во время сна, возможно, связанные с переработкой сенсорного ввода или консолидацией памяти.

Чтобы понять, что может быть причиной увеличения временных шкал во время сна, исследователи сосредоточились на медленных волнах — больших, медленных колебаниях, которые являются отличительной чертой глубокого сна. Используя отдельную 10-минутную запись сна NREM3, они идентифицировали более 85 000 отдельных событий медленных волн. Они обнаружили, что оба типа временных шкал увеличивались во время этих событий, особенно широкополосные.

Широкополосные временные шкалы выросли на 171% вокруг дна медленных волн, в то время как гамма-шкалы увеличились только на 51%. Более того, области мозга с более высокой общей плотностью медленных волн показали более длинные широкополосные временные шкалы, что указывает на прямую связь между активностью медленных волн и временной динамикой.

Исследование также рассмотрело, как области мозга взаимодействуют в пространстве во время разных состояний. Измеряя пространственные корреляции — насколько сильно две области мозга колеблются вместе — они обнаружили, что синхронизация на больших расстояниях была сильнее всего во время глубокого сна, особенно для широкополосных сигналов. Интересно, что в то время как широкополосные пространственные корреляции были самыми высокими на больших расстояниях во время бодрствования, гамма-пространственные корреляции достигали пика во время медленного сна, но только на коротких расстояниях. Эти результаты показывают, что способность мозга интегрировать информацию в пространстве и времени варьируется в зависимости от состояния сна и типа нейронной активности.

Одним из ключевых выводов этой работы является то, что внутренние механизмы синхронизации мозга сложнее, чем считалось ранее. Вместо единой временной шкалы, которая удлиняется во время сна, исследование показывает наличие нескольких временных шкал, которые различаются в зависимости от диапазона частот и расположения коры. Эта многослойная организация предполагает, что разные ритмы могут выполнять разные функции, даже в пределах одной и той же области мозга.

Исследователи также подчеркивают, что хотя сон часто рассматривается как отсоединенное состояние, их выводы усложняют эту точку зрения. Глубокий сон показал повышенные пространственные корреляции и более длительные временные масштабы в нескольких областях, что указывает на усиление локальной координации, а не на глобальное отключение. Однако быстрый сон показал сниженные пространственные корреляции, что, возможно, отражает более фрагментированный или внутренне сфокусированный режим активности.

Как и все исследования, это исследование имеет ограничения. Выборка состояла из людей с эпилепсией, которая может влиять на динамику мозга, хотя исследователи использовали записи в состоянии покоя вне судорожной активности. Кроме того, хотя внутричерепные записи обеспечивают высокую пространственную и временную точность, размещение электродов ограничено клиническими потребностями, что означает, что некоторые области мозга недостаточно представлены. Будущие исследования могут изучить, как временные шкалы изменяются в течение более длительных периодов или во время определенных когнитивных задач, а также наблюдаются ли подобные закономерности в неклинических популяциях.