Sen to niezwykły stan świadomości. Percepcja prawie zupełnie zanika, przestajemy odczuwać naszą obecność w przestrzeni, a upływ czasu ulega dziwnym zaburzeniom. Pojawiają się marzenia senne, w których nie pamiętamy nawet kim jesteśmy. A czasem wydaje się nam, że zapadamy w czarną otchłań, a nasza świadomość przez kilka godzin jest bliska nieistnienia.

Początki badań nad snem

Co wtedy dzieje się wewnątrz naszych czaszek? Pierwsze odpowiedzi pojawiły się po wynalezieniu elektroencefalografu. Urządzenie to poprzez elektrody rozmieszczone na powierzchni głowy mierzy słabe pole elektryczne generowane przez mózg (pole to jest od około 10 000 do 100 000 razy słabsze niż małej 1.5 woltowej baterii).

W latach 50. Nathaniel Kleitman i Eugene Aserinsky wykazali za pomocą elektroencefalografu, że sen nie jest monolitycznym procesem, ale jest złożony z naprzemiennych faz. Sen ma wyraźną wewnętrzną strukturę. W czasie zasypiania częstotliwość fal mózgowych stopniowo maleje, a ich amplituda rośnie, co stanowi pierwszą fazę snu. W drugiej fazie wraz z dalszym zmniejszaniem się częstotliwości fal stopniowo pojawiają się nietypowe sygnały, trwające od 0.5 do 2 s impulsy o wewnętrznej częstotliwości od 11 do 15 Hz [1]. Nazywamy je wrzecionami snu. Są one generowane przez wzgórze – wewnętrzną strukturę mózgu, która stanowi bramę dla wrażeń zmysłowych. Co kilka minut wrzeciona poprzedzają mocne, przypominające zygzaki impulsy nazywane kompleksami K. Są one jednymi z najmocniejszych sygnałów elektrycznych emitowanych przez mózg. Następnie wrzeciona zanikają, a częstotliwość fal mózgowych dalej maleje. Śpiący przechodzi w najgłębszą fazę snu. Fale mózgowe mają teraz bardzo małą częstotliwość: od około 0.5 do 2 Hz i znaczną amplitudę. Nazywamy je wolnymi falami.

Następnie dzieje się coś nieoczekiwanego. Częstotliwości fal mózgowych szybko powracają do przedziału odpowiadającego stanowi czuwania, czyli do zakresu od 15 do 60 Hz, lecz śpiący nie budzi się. Natomiast jego oczy zaczynają poruszać się znacznie szybciej niż w poprzedniej fazie. Stąd też nazwano tę fazę snu REM (rapid eye movement), a poprzednią fazę snu NREM (non-rapid eye movement).

Rys. 1 Przykładowy hipnogram obrazujący przejścia między fazami snu. W pierwszej części snu dominuje sen głęboki (NREM 3). W drugiej części częstszy jest sen REM. Hipnogram został stworzony wykorzystując najczęstsze cechy hipnogramów, nie przedstawia konkretnego przypadku.

To właśnie w fazie REM często pojawiają się marzenia senne. Jednak również w fazie NREM możemy mieć sny, a ich nieobecność wydaje się być związana z aktywnością wolnych fal w tylnej części mózgu [2]. Gdy w fazie REM umysł podróżuje w przestrzeniach snu, z naszym ciałem dzieje się jeszcze jedna zaskakująca rzecz. Mięśnie stają się zupełnie wiotkie ponieważ mózg traci nad nimi panowanie – doznajemy zupełnego paraliżu. Dzieje się tak dlatego, że kontrolujące mięśnie neurony motoryczne mózgu ulegają tymczasowemu wyłączeniu. A dokładniej obniża się ich potencjał elektryczny. W tym stanie zewnętrzne impulsy nie mogą pobudzić neuronów na tyle, by wysłały sygnały do mięśni. Przez paraliż w czasie snu REM natura zabezpieczyła nas przed wykonywaniem czynności obecnych w naszych snach. Mechanizm ten ma pewien skutek uboczny – czasem zdarza się, że niektórzy śpiący przebudzają się w fazie REM, ale ich ciała nadal są sparaliżowane. Nie mogą wtedy wykonywać ruchów ani mówić, chociaż ich świadomość jest już częściowo przebudzona. Często towarzyszy temu wrażenie niemocy, spadania lub przygniecenia. W tym stanie czasem pojawiają się halucynacje. Na szczęście stan ten nie trwa długo, mija najczęściej po kilku minutach.

Po pierwszej fazie REM powracamy najczęściej do głębszego snu rozpoczynając kolejną sekwencję faz JAWA/REM → NREM → REM. Sekwencje ta jest cyklem snu i trwa mniej więcej 90 minut (±20 minut). W pierwszych cyklach dłużej trwa sen głęboki NREM, w kolejnych dłuższy staje się sen REM.

Dlaczego istnieje cykl snu? Nie znamy jasnej odpowiedzi, ale przypuszcza się, że następstwo faz ma kluczowe znaczenie dla procesu uczenia, czyli dostrajania siły połączeń między neuronami. W fazie NREM połączenia synaptyczne są normowane w dół [3], usuwany jest w ten sposób niepotrzebny szum informacyjny umożliwiając dalsze uczenie. W czasie fazy NREM [4] i REM [5] doświadczenia dnia są również odtwarzane w hipokampie – strukturze mózgu odpowiedzialnej za zapamiętywanie. Oznacza to, że sekwencja aktywacji neuronów zarejestrowana w ciągu dnia jest powtarzana w czasie snu.

Zrozumieć aktywność mózgu w trakcie snu

Z pewnością, by lepiej zrozumieć funkcje snu, powinniśmy przyjrzeć się bliżej zjawisku wolnych fal w fazie NREM. Jaka jest aktywność neuronów w czasie, gdy elektroencefalograf rejestruje wolne fale?

Odpowiedzi możemy udzielić dzięki innemu rodzajowi pomiaru fal mózgowych: elektrodom głębinowym. Elektrody takie są implantowane chorym na padaczkę w celu zlokalizowania ogniska epilepsji. Przy okazji dostarczają one cennych informacji o funkcjonowaniu mózgu. W szczególności za ich pomocą jesteśmy w stanie zarejestrować wyładowania pojedynczych neuronów. Wyładowań tych, nazywanych potencjałami czynnościowymi, nie może dostrzec elektroencefalograf.

Okazuje się, że w czasie rejestracji wolnych fal mózgowych aktywność neuronów jest mocno zsynchronizowana w dość regularnym rytmie. Możemy wyraźnie dostrzec okresy, w których neurony są aktywne – stany górne oraz okresy ciszy, w których większość neuronów jest nieaktywna – stany dolne. Kompleks K, o którym wspomnieliśmy wcześniej, jest elektrycznym echem krótkiego, izolowanego stanu dolnego [6]

Wiemy też, gdzie leży źródło wolnych fal. Większość z nich powstaje w korze czołowej, około 5 cm nad nasadą nosa. Następnie fale propagują do tyłu głowy z prędkością około 3 m/s, a ich amplituda maleje [7].

Rys. 2 Fale elektryczne generowane przez mózg podczas: jawy, snu REM i snu NREM. Fale EEG zarejestrowane podczas snu szczura. [17]

Jaki jest mechanizm powstawania stanów dolnych i górnych? Jedna z hipotez mówi, że stan górny jest wynikiem pobudzenia sieci przez spontaniczne, lokalne fluktuacje aktywności. Dzięki gęstej ilości połączeń neuronalnych w ludzkim mózgu (średnio aż 10 000 synaps przypada na jeden neuron piramidowy) sieć zostaje lawinowo wzbudzona do stanu górnego. Następnie podczas aktywności w neuronach uruchamia się mechanizm, który naturalnie obniża aktywność sieci – adaptacja. W szczególności w błonie komórkowej neuronów otwierają się kanały potasowe, w wyniku czego potencjał elektryczny neuronów ulega obniżeniu. W pewnym momencie utrzymanie aktywacji całej sieci staje się niemożliwe i następuje przejście do stanu dolnego.

Rys. 3 Wolne fale oraz wyładowania neuronów zarejestrowane przez układ wieloelektrodowy wszczepiony pacjentowi choremu na epilepsję. [18] Punkty odpowiadają zarejestrowanym potencjałom czynnościowym neuronów. Możemy wyraźnie wyróżnić stany górne z dużą ilością potencjałów czynnościowych (jaśniejsze pasy) oraz stany dolne pozbawione wyładowań (ciemne pasy). 

Dzięki znajomości tego mechanizmu wolne fale mózgowe można modelować w symulacjach obliczeniowych. Za ich pomocą we francuskim ośrodku NeuroPSI-CNRS (Centre national de la recherche scientifique) udało się naszemu zespołowi badawczemu wyjaśnić statystyczne różnice między wolnymi falami występującymi w głębokim śnie, a tymi generowanymi podczas anestezji [8]. Kluczowe znaczenie dla tych różnic, jak i samego procesu powstawania wolnych fal ma stężenie takich neuromodulatorów jak acetylocholina, serotonina czy noradrenalina.

Wolne fale oraz obecne w fazie NREM-2 wrzeciona snu mają kluczowe znaczenie w procesie utrwalania śladów pamięciowych, który nazywamy konsolidacją. Przypuszcza się, że właśnie w czasie wolnofalowego snu informacja jest przenoszona z pamięci krótkotrwałej do pamięci długotrwałej [9]. Wykazano, że zmniejszenie długości wolnofalowego snu jest skorelowane ze słabszą zdolnością zapamiętywania [10]. Niestety w procesie starzenia długość wolnofalowego snu spada w tempie około 2% na dekadę [11], obniżając w ten sposób zdolności pamięciowe.

Zastosowanie badań

Zrozumienie mechanizmu wolnych fal może pozwolić na opracowanie metody wydłużania głębokiego snu. Szczególnie jest to istotne dla poprawy jakości snu osób starszych oraz chorych z zaburzeniami snu. Istnieją już pierwsze techniki wzmacniania wolnych fal, takie jak stymulacja słuchowa [12], stymulacja wolnozmiennym polem elektrycznym (so-tDCS) [13], czy metody farmakologiczne (interleukina-6 [14] i oksymaślan sodu [15]). Wykazują one pewną efektywność w poprawie jakości snu i sprawności intelektualnej [16].

Jednak nawet bez nich możemy poprawić jakość naszego snu zaczynając od najprostszych metod – na przykład poprzez ograniczenie kofeiny oraz alkoholu, który jest znany z silnego zakłócania fazy REM. Zmniejszenie wieczornej ekspozycji na niebieskie światło, które zakłóca produkcję melatoniny, pomaga także w poprawie jakości snu.

Adnotacja redakcji: Warto zaznaczyć, że Zastosowanie tych technik może mieć korzystny wpływ na zdrowie psychiczne i fizyczne Polaków, co przekłada się na potencjalne zwiększenie efektywności i jakości życia społecznego i zawodowego, co z pewnością pozytywnie wpłynie na polski rynek.

Bibliografia:

1. Purcell, S., Manoach, D., Demanuele, C. et al. Characterizing sleep spindles in 11,630 individuals from the National Sleep Research Resource. Nat Commun 8, 15930 (2017).
2. Siclari, F., Baird, B., Perogamvros, L. et al. The neural correlates of dreaming. Nat Neurosci 20, 872–878 (2017)
3. Tononi G, Cirelli C. Sleep function and synaptic homeostasis. Sleep Med Rev. 2006 Feb;10(1):49-62.
4. Lee AK, Wilson MA. Memory of sequential experience in the hippocampus during slow wave sleep. Neuron. 2002;36(6):1183–1194.
5. Louie K, Wilson MA. Temporally structured replay of awake hippocampal ensemble activity during rapid eye movement sleep. Neuron. 2001;29(1)
6. Cash SS, Halgren E, Dehghani N, Rossetti AO, Thesen T, Wang C, Devinsky O, Kuzniecky R, Doyle W, Madsen JR, Bromfield E, Eross L, Halász P, Karmos G, Csercsa R, Wittner L, Ulbert I. The human K-complex represents an isolated cortical down-state. Science. 2009 May 22;324(5930):1084-7.
7. Hangya B, Tihanyi BT, Entz L, Fabó D, Erőss L, Wittner L, Jakus R, Varga V, Freund TF, Ulbert I. Complex propagation patterns characterize human cortical activity during slow-wave sleep. J Neurosci. 2011 Jun 15;31(24):8770-9.
8. Nghiem TE, Tort-Colet N, Górski T, Ferrari U, Moghimyfiroozabad S, Goldman JS, Teleńczuk B, Capone C, Bal T, di Volo M, Destexhe A. Cholinergic Switch between Two Types of Slow Waves in Cerebral Cortex. Cereb Cortex. 2020 May 18;30(6):3451-3466
9. Diekelmann, S., Born, J. Slow-wave sleep takes the leading role in memory reorganization. Nat Rev Neurosci 11, 218 (2010)
10. Ferrarelli F, Kaskie R, Laxminarayan S, Ramakrishnan S, Reifman J, Germain A. An increase in sleep slow waves predicts better working memory performance in healthy individuals. Neuroimage. 2019 May 1;191:1-9; Bartsch, U., Simpkin, A.J., Demanuele, C. et al. Distributed slow-wave dynamics during sleep predict memory consolidation and its impairment in schizophrenia. npj Schizophr 5, 18 (2019)
11. Zolovska, J.P. Shatkin, in Encyclopedia of Sleep, 2013
12. Ngo HV, Martinetz T, Born J, Mölle M. Auditory Closed-Loop Stimulation of the Sleep Slow Oscillation Enhances Memory. Neuron. 2013;78(3):545–53.
13. Antonenko D, Diekelmann S, Olsen C, Born J, Mölle M. Napping to renew learning capacity: enhanced encoding after stimulation of sleep slow oscillations. Eur J Neurosci. 2013. October;37(7):1142–51; Göder R, Baier PC, Beith B, Baecker C, Seeck-Hirschner M, Junghanns K, et al. Effects of transcranial direct current stimulation during sleep on memory performance in patients with schizophrenia. Schizophr Res. 2013;144(1-3):153–4.
14. Benedict C, Scheller J, Rose-John S, Born J, Marshall L. Enhancing influence of intranasal interleukin-6 on slow-wave activity and memory consolidation during sleep. FASEB J. 2009 Oct;23(10)
15. Walsh JK, Hall-Porter JM, Griffin KS, Dodson ER, Forst EH, Curry DT, Eisenstein RD, Schweitzer PK. Enhancing slow wave sleep with sodium oxybate reduces the behavioral and physiological impact of sleep loss. Sleep. 2010 Sep;33(9):1217-25.
16. Can Slow-Wave Sleep Enhancement Improve Memory? A Review of Current Approaches and Cognitive Outcomes Yujie Zhang 1, Reut Gruber 2
17. Alejandra Mondino et al., Power and Coherence in the EEG of the Rat: Impact of Be-havioral States, Cortical Area, Lateralization and Light/Dark Phases (2020). Udostępnione w ramach Creative Commons 4.0.
18. Trang-Anh E Nghiem, Núria Tort-Colet, Tomasz Górski, Ulisse Ferrari, Shayan Moghimyfiroozabad, Jennifer S Goldman, Bartosz Teleńczuk, Cristiano Capone, Thierry Bal, Matteo di Volo, Alain Destexhe, Cholinergic Switch between Two Types of Slow Waves in Cerebral Cortex, Cerebral Cortex, bhz320