Художественная интерпретация Кита Хенгена, показывающая различные мозговые волны, которые вызывают фундаментальные состояния бодрствования и сна. © Кит Хенген
Состояния бодрствования и сна, хотя и отличаются друг от друга, формируют нашу повседневную жизнь, определяя границы нашего сознательного существования. На протяжении десятилетий ученые различали эти инстинктивные мозговые процессы, наблюдая за мозговыми волнами, причем для сна характерны длинные, медленные мозговые волны. Однако новое исследование показывает, что нейронные паттерны длительностью в несколько миллисекунд могут определять сон, а участки мозга могут кратковременно пробуждаться во время сна (и наоборот), что отчасти ставит под сомнение модели, определяющие состояния сна и сознания.
Исследователи из лабораторий Кита Хенгена из Вашингтонского университета в Сент-Луисе и Дэвида Хауслера из Калифорнийского университета в Санта-Крузе обнаружили, в частности, что сон можно распознать по паттернам активности нейронов длительностью всего несколько миллисекунд (в тысячу раз короче секунды). Эти результаты бросают вызов традиционным представлениям о неврологической основе сна и бодрствования.
Докторанты Дэвид Паркс и Эйдан Шнайдер обучили нейронную сеть анализировать огромное количество данных о мозговых волнах, выявив ранее не описанные закономерности на чрезвычайно высоких частотах. Только на эту задачу у них ушло около четырех лет.
«Благодаря мощным инструментам и новым вычислительным методам мы можем получить очень многое, бросив вызов нашим самым фундаментальным предположениям«, — сказал Кит Хенген, ведущий автор исследования, как сообщается в пресс-релизе Калифорнийского университета в Санта-Крузе. Исследование, опубликованное в журнале Nature Neuroscience, также показало, что небольшие участки мозга могут мгновенно «просыпаться», в то время как остальная часть мозга остается спящей, и наоборот.
Эти результаты — плод сотрудничества лабораторий доцента биологии Хенгена из Вашингтонского университета в Сен-Луи и профессора биомолекулярной инженерии Дэвида Хауслера из Калифорнийского университета в Санта-Крузе. Однако в основном исследования проводили Паркс и Шнайдер.
Оспаривание устоявшихся представлений
Хенген, убежденный в том, что Паркс и Шнайдер что-то упустили, попросил их предоставить больше доказательств. «Это побудило меня спросить себя, в какой степени мои убеждения основаны на доказательствах и какие доказательства мне нужно увидеть, чтобы их опровергнуть«, — признается Хенген. В ходе этого процесса выяснилось, что основополагающим элементом сна, обнаруженного моделью, являются гипербыстрые колебания между несколькими нейронами, что противоречит традиционным медленным волнам.
Открытие «мерцаний»
Исследователи также обнаружили удивительное явление, которое они назвали «мерцаниями», когда область мозга ненадолго просыпается, в то время как остальная часть мозга спит. «Мы видим все эти возможные комбинации, и они нарушают правила, которые можно было бы ожидать из столетней литературы«, — объясняет Хенген. Эти мерцания, хотя и короткие, оказывали заметное влияние на поведение мышей в экспериментах, которые, казалось, замирали или дергались в зависимости от этих переходов.
Понимание мозговых волн
Мозговые волны — это электрические сигналы, возникающие в результате активности нейронов и различающиеся по частоте и амплитуде. Медленные волны, такие как дельта-волны, характерны для глубокого сна, в то время как альфа- и бета-волны наблюдаются во время бодрствования и начальных фаз легкого сна. Гипербыстрые нейронные паттерны, обнаруженные в этом исследовании, имеют гораздо меньший временной масштаб, чем волны, традиционно ассоциируемые со сном, что открывает новые перспективы в понимании состояний сознания.
Глубокое понимание высокочастотных паттернов и «мерцаний», обнаруженных в ходе исследования, может помочь ученым лучше изучить нейроразвивающие и нейродегенеративные заболевания, которые часто связаны с дисрегуляцией сна. Теперь Хенген и Хаусслер планируют изучить эти явления на моделях органоидов мозга, что откроет путь к потенциальным клиническим достижениям. Это исследование углубляет наше понимание состояний сознания и подчеркивает сложность мозговых волн. «Чем глубже мы понимаем суть сна и бодрствования, тем лучше мы можем решать клинические проблемы«, — заключает Хенген.
