מחקר חדש חשף שניתן לזהות שינה על ידי פעילות מוחית קצרה באורך אלפית שנייה, והדגיש כי אזורי מוח בודדים יכולים לעבור באופן עצמאי בין מצבי שינה וערות, מה שעלול להשפיע על ההבנה של מחלות נוירולוגיות.
המחקר חושף באופן נרחב כיצד גלי מוח, שקודם לכן התעלמו מהם, מבססים דפוסים בסיסיים של שינה וערות.
מדענים פיתחו שיטה חדשה לנתח מצבי שינה וערות על ידי זיהוי דפוסי פעילות נוירונים מהירים במיוחד, באורך של אלפיות שנייה בלבד, ומאתגר הבנות מסורתיות המבוססות על גלי מוח איטיים יותר. מחקר זה גם חשף שאזורי מוח בודדים יכולים לעבור לזמן קצר בין שינה להתעוררות באופן עצמאי, ולגלות פעילויות מוחיות מורכבות ומקומיות שעשויות לעצב מחדש את הבנתנו את מכניקת השינה.
שינה והתעוררות: הם מצבי הוויה ברורים לחלוטין שמגדירים את גבולות חיי היומיום שלנו. במשך שנים, מדענים מדדו את ההבדל בין תהליכים מוחיים אינסטינקטיביים אלה על ידי התבוננות בגלי מוח, כאשר השינה מוגדרת באופן אופייני על ידי גלים איטיים וארוכי טווח הנמדדים בעשיריות השניות העוברים על פני כל האיבר.
לראשונה, מדענים מצאו שניתן לזהות שינה על ידי דפוסי פעילות נוירונים באורך של מילי-שניות בלבד, פי 1,000 קצר משנייה, וחושפים דרך חדשה לחקור ולהבין את דפוסי גלי המוח הבסיסיים השולטים בתודעה. הם גם מראים שאזורים קטנים במוח יכולים לרגע "להבהב" ער בזמן ששאר המוח נשאר ישן, ולהיפך משינה עד שינה.
ממצאים אלה, מתוארים במחקר חדש שפורסם בכתב העת מדעי המוח בטבע, הם משיתוף פעולה בין המעבדות של פרופסור עוזר לביולוגיה קית' הנגן באוניברסיטת וושינגטון בסנט לואיס ופרופסור מכובד להנדסה ביו-מולקולרית דייוויד האוסלר באוניברסיטת סנטה קרוז. המחקר בוצע על ידי Ph.D. סטודנטים דיוויד פארקס (UCSC) ואיידן שניידר (WashU).
במשך ארבע שנים של עבודה, פארקס ושניידר הכשירו רשת נוירונים לחקור את הדפוסים בתוך כמויות אדירות של נתוני גלי מוח, תוך גילוי דפוסים המתרחשים בתדרים גבוהים במיוחד שמעולם לא תוארו קודם לכן ומאתגרים תפיסות יסוד וארוכות טווח של התפיסה הנוירולוגית. בסיס שינה ויקיצה.
"עם כלים רבי עוצמה ושיטות חישוביות חדשות, יש כל כך הרבה מה להרוויח על ידי קריאת תיגר על ההנחות הבסיסיות ביותר שלנו ובדיקה מחדש של השאלה 'מהי מדינה?'", אמר הנגן. "שינה או ערות הם הקובע הגדול ביותר של ההתנהגות שלך, ואז כל השאר נופל משם. אז אם אנחנו לא מבינים מה זה בעצם שינה ויקיצה, נראה שפספסנו את הסירה".
"זה היה מפתיע אותנו כמדענים לגלות שחלקים שונים במוח שלנו למעשה לוקחים תנומות קטנות כאשר שאר המוח ער, למרות שאנשים רבים כבר חשדו בכך בבן הזוג שלהם, אז אולי היעדר הטיה גברית-נקבה זה מה שמפתיע," הוסלר צייץ.
הבנת שינה
מדעני מוח חוקרים את המוח באמצעות הקלטות של האותות החשמליים של פעילות המוח, הידועים כנתוני אלקטרופיזיולוגיה, תוך התבוננות בגלי מתח כשהם מתכופפים ונופלים בקצבים שונים. מתערבבים בגלים האלה דפוסי הספייק של נוירונים בודדים.
החוקרים עבדו עם נתונים של עכברים במעבדת Hengen בסנט לואיס. החיות שהתנהגו בחופשיות צוידו באוזניות קלות משקל שתיעדו פעילות מוחית מ-10 אזורי מוח שונים במשך חודשים בכל פעם, תוך מעקב אחר מתח מקבוצות קטנות של נוירונים בדיוק של מיקרו-שניות.
הקלט הרב הזה יצר פטה-בייט – שגדולים פי מיליון מג'יגה-בייט – של נתונים. דיוויד פארקס הוביל את המאמץ להזין את הנתונים הגולמיים הללו לרשת עצבית מלאכותית, שיכולה למצוא דפוסים מורכבים ביותר, כדי להבדיל בין נתוני שינה וערות ולמצוא דפוסים שהתצפית האנושית אולי החמיצה. שיתוף פעולה עם תשתית המחשוב האקדמית המשותפת שנמצאת ב-UC San Diego אפשר לצוות לעבוד עם כל כך הרבה נתונים, שהיו בקנה מידה של מה שחברות גדולות כמו גוגל או פייסבוק עשויות להשתמש.
ביודעו ששינה מוגדרת באופן מסורתי על ידי גלים איטיים, פארקס החל להזין נתחים קטנים יותר ויותר לרשת העצבים וביקש ממנה לחזות אם המוח ישן או ער.
הם גילו שהמודל יכול להבדיל בין שינה לבין ערות מתוך אלפיות שניות בלבד של נתוני פעילות המוח. זה היה מזעזע לצוות המחקר – זה הראה שהמודל לא יכול היה להסתמך על הגלים הנעים לאט כדי ללמוד את ההבדל בין שינה וערות.. בדיוק כפי שהאזנה לאלף השנייה של שיר לא יכלה לומר לך שאם היה לו קצב איטי, זה יהיה בלתי אפשרי עבור המודל ללמוד קצב המתרחש על פני מספר שניות רק על ידי הסתכלות על אלפיות שניות מבודדות אקראי של מידע.
"אנחנו רואים מידע ברמת פירוט חסרת תקדים", אמר האוסלר. "התחושה הקודמת הייתה שלא יימצא שם כלום, שכל המידע הרלוונטי נמצא בגלי התדר האיטיים יותר. מאמר זה אומר שאם מתעלמים מהמדידות הקונבנציונליות, ורק מסתכלים על הפרטים של המדידה בתדר גבוה על פני אלפית השנייה בלבד, יש שם מספיק כדי לדעת אם הרקמה ישנה או לא. זה אומר לנו שמשהו קורה בקנה מידה מהיר מאוד – זה רמז חדש למה שעשוי להתרחש במהלך השינה."
הנגן, מצדו, היה משוכנע שפארקס ושניידר החמיצו משהו, שכן התוצאות שלהם היו כל כך סותרות את תפיסות הסלע שנקדחו בו במשך שנים רבות של חינוך למדעי המוח. הוא ביקש מפארקס לייצר עוד ועוד ראיות לכך שהתופעה הזו יכולה להיות אמיתית.
"זה אתגר אותי לשאול את עצמי 'באיזו מידה האמונות שלי מבוססות על ראיות, ואילו ראיות אצטרך לראות כדי לבטל את האמונות האלה?" אמר הנגן. "זה באמת הרגיש כמו משחק של חתול ועכבר, כי הייתי מבקש מדייוויד (פארקים) שוב ושוב להביא ראיות נוספות ולהוכיח לי דברים, והוא היה חוזר ואומר 'תבדוק את זה!' זה היה תהליך ממש מעניין כמדען שהתלמידים שלי יפרו את המגדלים האלה לבנה אחר לבנה, ומבחינתי אצטרך להיות בסדר עם זה".
דפוסים מקומיים
מכיוון שרשת עצבים מלאכותית היא ביסודה קופסה שחורה ואינה מדווחת על מה שהיא לומדת ממנו, פארקס החל להפשיט שכבות של מידע זמני ומרחבי כדי לנסות להבין מאילו דפוסים המודל יכול לומד.
בסופו של דבר, הם הגיעו לנקודה שבה הם הסתכלו על נתוני מידע מוחיים באורך של אלפית שנייה בלבד ובתדרים הגבוהים ביותר של תנודות מתח המוח.
"הוצאנו את כל המידע שמדעי המוח השתמשו בו כדי להבין, להגדיר ולנתח שינה במאה האחרונה, ושאלנו 'האם המודל עדיין יכול ללמוד בתנאים האלה?'", אמר פארקס. "זה איפשר לנו לבחון אותות שלא הבנו קודם לכן."
על ידי התבוננות בנתונים אלה, הם הצליחו לקבוע שדפוס הפעילות היפר-מהיר בין כמה נוירונים בלבד היה המרכיב הבסיסי בשינה שהמודל זיהה. באופן מכריע, דפוסים כאלה אינם ניתנים להסבר על ידי הגלים המסורתיים, האיטיים והנרחבים. החוקרים משערים שייתכן שהגלים הנעים לאט פועלים כדי לתאם את דפוסי הפעילות המהירים והמקומיים, אך בסופו של דבר הגיעו למסקנה שהדפוסים המהירים קרובים הרבה יותר למהות האמיתית של השינה.
אם הגלים הנעים האיטיים המשמשים באופן מסורתי להגדרת שינה מושווים לאלפי אנשים באיצטדיון בייסבול שעושים את הגל, אז הדפוסים הנעים האלה הם השיחות בין אנשים בודדים שמחליטים להשתתף בגל. שיחות אלו המתרחשות חיוניות כדי שהגל הגדול יותר יתרחש, והן קשורות יותר למצב הרוח של האצטדיון – הגל הוא תוצאה משנית של זה.
התבוננות בהבלחות
בהמשך לימוד דפוסי הפעילות ההיפר-לוקאליים, החלו החוקרים להבחין בתופעה מפתיעה נוספת.
כשהם צפו במודל מנבא שינה או ערות, הם הבחינו במה שנראה בהתחלה כמו שגיאות, שבהן לשבריר שנייה המודל יזהה ערות באזור אחד של המוח בזמן ששאר המוח נשאר ישן. הם ראו את אותו הדבר במצבי ערות: לשבריר שנייה, אזור אחד היה נרדם בעוד שאר האזורים ערים. הם קוראים למקרים האלה "הבלחות".
"יכולנו להסתכל על נקודות הזמן הבודדות בהן נוירונים אלה ירו, והיה די ברור ש(הנוירונים) עוברים למצב אחר", אמר שניידר. "במקרים מסוימים, הבלחות אלו עשויות להיות מוגבלות לאזור של אזור מוחי בודד, אולי אפילו קטן מזה."
זה אילץ את החוקרים לחקור מה המשמעות של הבהובים על תפקוד השינה, וכיצד הם משפיעים על ההתנהגות במהלך השינה והערות.
"יש שם השערה טבעית; נניח שחלק קטן מהמוח שלך מחליק לתוך שינה בזמן שאתה ער – האם זה אומר שההתנהגות שלך נראית פתאום כאילו אתה ישן? התחלנו לראות שזה קורה לעתים קרובות", אמר שניידר.
בהתבוננות בהתנהגות של עכברים, החוקרים ראו שכאשר איזור מוחי יהבהב כדי לישון בזמן ששאר המוח ער, העכבר היה עוצר לשנייה, כמעט כאילו הוא התרחק. הבהוב במהלך השינה (אזור מוח אחד "מתעורר") בא לידי ביטוי על ידי חיה מתעוותת בשנתה.
הבהובים מפתיעים במיוחד מכיוון שהם אינם פועלים לפי כללים קבועים המכתיבים את המחזוריות הקפדנית של המוח הנע ברצף בין ערות לשנת REM לשנת REM.
"אנחנו רואים הבהוב של REM, מהבהוב REM לא-REM – אנחנו רואים את כל השילובים האפשריים האלה, והם שוברים את הכללים שהייתם מצפים להם בהתבסס על מאה שנות ספרות", אמר הנגן. "אני חושב שהם חושפים את ההפרדה בין מצב המאקרו – שינה והתעוררות ברמה של כל החיה, לבין יחידת המצב הבסיסית במוח – הדפוסים המהירים והמקומיים."
פְּגִיעָה
השגת הבנה מעמיקה יותר של הדפוסים המתרחשים בתדרים גבוהים והבהובים בין ערות לשינה יכולה לעזור לחוקרים לחקור טוב יותר מחלות נוירו-התפתחותיות ומחלות ניווניות, אשר שתיהן קשורות לחוסר ויסות שינה. הן קבוצות המעבדה של האוסלר והן הנגן מעוניינות להבין את הקשר הזה יותר, כאשר האוסלר מעוניין להמשיך ולחקור את התופעות הללו במודלים אורגנואידים מוחיים, פיסות רקמת מוח שגדלו על ספסל מעבדה.
"זה נותן לנו פוטנציאל אזמל מאוד מאוד חד שאפשר לחתוך איתו לתוך השאלות האלה של מחלות והפרעות", אמר הנגן. "ככל שנבין יותר מהותית על מה זה שינה וערות, כך נוכל לטפל בבעיות קליניות רלוונטיות וקשורות למחלות."
ברמה הבסיסית, עבודה זו עוזרת לדחוף קדימה את ההבנה שלנו לגבי רבדי המורכבות הרבים של המוח כאיבר שמכתיב התנהגות, רגש ועוד הרבה יותר.
