Podczas snu stan świadomości ulega przekształceniu – tak jak dzieje się to w śpiączce lub przy znieczuleniu ogólnym. Naukowcy od dawna przypuszczali, że aktywność mózgu zmniejsza się wraz z pogłębianiem się snu. Wskazywały na to dane zebrane w trakcie badań polisomnograficznych za pomocą elektroencefalografu (EEG). Jednak Anjali Tarun, doktorantka Uniwersytetu Genewskiego pracująca w Laboratorium Przetwarzania Obrazu, postanowiła zweryfikować to przekonanie w nowatorski sposób – korzystając z rezonansu magnetycznego (MRI). Rezultaty jej pracy opublikowano w czasopiśmie “iScience” wydawnictwa Cell Press.
W większości badań naukowcy mierzą aktywność śpiącego mózgu za pomocą EEG. Ta metoda jest cicha i nieinwazyjna, lecz ma pewne ograniczenia – elektrody przyczepione do skóry głowy rejestrują wyłącznie sygnały bioelektryczne z neuronów kory mózgu. Natomiast skaner MRI mierzy aktywność hemodynamiczną struktur całego ośrodkowego układu nerwowego. W ten sposób dostarcza istotnych danych uzupełniających wiedzę uzyskaną dzięki EEG. Problem polega na tym, że zaśnięcie w trakcie skanowania jest dość problematyczne – odbywa się ono w wąskiej, ciasnej tubie, w akompaniamencie uciążliwych, głośnych dźwięków. Jednak, dzięki pomocy profesor Sophie Schwartz z Uniwersytetu w Genewie i profesora Nikolaia Axmachera z Ruhr-Universität w Bochum, Tarun udało się zebrać zapis aktywności mózgu 28 śpiących osób.
Do rejestracji pracy mózgu naukowcy użyli zarówno EEG, jak i MRI. Badani mieli za zadanie zasnąć w trakcie skanowania. Większości z nich udało się przespać niemal dwie godziny, co umożliwiło zebranie dużej ilości danych. Przy pomocy sprawdzonych procedur analizy sygnału EEG Tarun mogła zidentyfikować moment zaśnięcia oraz określić fazy snu. Potem, korzystając z tej wiedzy, użyła skanów MRI do wygenerowania map przestrzennych aktywności neuronalnej w trakcie zasypiania oraz podczas różnych faz snu. Wreszcie porównała dynamikę funkcjonalnych sieci mózgu w zależności od etapów snu. Ponadto uzyskała dokładną liczbę aktywacji różnych sieci mózgu podczas każdej fazy snu.
Wyniki analizy zaskoczyły nawet samą autorkę. Ujawniły, że podczas snu lekkiego (fazy NREM 2) całkowita aktywność mózgu faktycznie stawała się coraz niższa. Jednak dynamika komunikacji między niektórymi obszarami funkcjonalnych sieci mózgu wzrastała. Naukowcy przypuszczają, że rozbieżność pomiędzy całkowitą a lokalną aktywnością mózgu jest związana z postępującą desynchronizacją jego sieci w tej fazie snu. Jednak przyznają, że nie spodziewali się takiego rezultatu. W fazie snu głębokiego (fazie NREM 3) aktywność mózgu gwałtownie zmniejszyła się. Co więcej, wraz z pogłębianiem się snu funkcjonalne sieci mózgu desynchronizowały się coraz bardziej.
“W tym badaniu najbardziej zaskoczył nas jego paradoksalny wynik. Okazało się, iż w przejściowej fazie snu – pomiędzy snem lekkim a głębokim – aktywność mózgu jako całości spada. Jednocześnie sygnały różnych części układu nerwowego wzrastają. Prawdopodobnie ta dynamika odzwierciedla nieudane próby zsynchronizowania działania poszczególnych sieci funkcjonalnych mózgu” – wyjaśnia Van De Ville, profesor Wydziału Inżynierii Biologicznej Uniwersytetu Genewskiego, a także pomysłodawca badania.
Implikacje tych wyników są istotne nie tylko dla badań nad neurofizjologią snu, lecz również dla poszukiwania neuronalnych korelatów świadomości. Obecnie wiodące teorie uznają świadomość za proces związany z działaniem sieci odpowiadających za introspekcję, pamięć epizodyczną, a także za myślenie spontaniczne. W tym badaniu naukowcy zaobserwowali rozpad synchronizacji obszarów, które tworzą sieć funkcjonalną łączącą przednie i tylne obszary korowe. Proces desynchronizacji zwiększał się w miarę pogłębiania się snu. Podobna desynchronizacja miała miejsce móżdżku, strukturze odpowiedzialnej przede wszystkim za kontrolę motoryczną ciała. Aby wyjaśnić te obserwacje, naukowcy przeprowadzą kolejne eksperymenty. Lecz rezultaty tego badania stanowią pierwszy krok ku zrozumieniu co dzieje się ze świadomością człowieka podczas snu.
“Nasze odkrycia ujawniły, że świadomość wynika z interakcji pomiędzy różnymi obszarami mózgu, a nie z działania wyizolowanej struktury. Badania zmian stanu świadomości na różnych etapach snu i rejestracja aktywności sieci mózgowych, które się z nimi wiążą są bardzo ważne. Dzięki nim możemy lepiej zrozumieć i wyjaśnić szeroki zakres tych funkcji mózgu, które charakteryzują nas jako istoty ludzkie” – podsumowuje Tarun.
Eksperyment Anjali Tarun umożliwił empiryczną weryfikację głęboko zakorzenionego przekonania, iż aktywność mózgu spada w trakcie snu. Okazało się jednak, że to stwierdzenie nie ujawnia pełnego obrazu. Jakkolwiek całościowa aktywność faktycznie zmniejsza się, to jednak poszczególne struktury pracują intensywniej niż podczas czuwania – szczególnie w trakcie przejścia z lekkiego snu do głębokiego. Przypuszczalnie dynamika ta odzwierciedla desynchronizację funkcjonalnych sieci mózgu, a na poziomie kognitywnym – przejście stanu świadomości z czuwania do snu.
