Bijna iedereen kent dit gevoel. Na een nacht slecht slapen is het moeilijker om je te concentreren. Je gedachten dwalen af, je reactietijden vertragen en je mentale helderheid neemt af, vooral wanneer je het meest alert moet zijn. Nieuw onderzoek van het MIT werpt licht op wat er in de hersenen gebeurt tijdens deze korte onderbrekingen van de concentratie. Het onderzoek toont aan dat tijdens een tijdelijk concentratieverlies cerebrospinaal vocht (CSF) uit de hersenen wordt afgevoerd, een proces dat normaal gesproken tijdens de slaap plaatsvindt en helpt bij het verwijderen van afvalstoffen die zich overdag hebben opgehoopt. Deze reinigende activiteit wordt belangrijk geacht voor de gezondheid en functie van de hersenen.

Het lichaam probeert de verloren slaap te compenseren

Slaaptekort verwijst naar een toestand waarin het lichaam en de hersenen over een langere of kortere periode niet genoeg slaap krijgen om volledig te herstellen en normaal te functioneren. Het kan voorkomen wanneer de hoeveelheid slaap regelmatig onder de behoeften van het individu ligt of wanneer de kwaliteit van de slaap verminderd is, bijvoorbeeld door vaak wakker te worden of door niet-herstellende slaap. Er wordt een onderscheid gemaakt tussen acuut slaaptekort, dat optreedt na afzonderlijke nachten met te weinig slaap, en chronisch slaaptekort, dat zich uitstrekt over weken of maanden.

Wanneer iemand aan slaaptekort lijdt, lijkt het lichaam te proberen de verloren slaap te compenseren door deze vloeistofbewegingen op gang te brengen tijdens de waakfase. Deze compensatie heeft echter een belangrijk nadeel: sterk verminderde aandacht. “Wanneer je niet slaapt, dringen de CSF-golven de waakfase binnen, waar je ze normaal niet ziet. Ze gaan echter gepaard met een verlies aan aandacht, omdat de aandacht verslapt tijdens de momenten waarop deze vloeistofgolf optreedt,” zegt Laura Lewis, Athinoula A. Martinos Associate Professor of Electrical Engineering and Computer Science, lid van het MIT Institute for Medical Engineering and Science en het Research Laboratory of Electronics, en geassocieerd lid van het Picower Institute for Learning and Memory. Lewis is de senior auteur van het onderzoek, dat is gepubliceerd in Nature Neuroscience. MIT-postdoc Zinong Yang is de hoofdauteur.

Hoe slaap de hersenen reinigt

Slaap is essentieel om te overleven, maar wetenschappers begrijpen nog steeds niet helemaal waarom het zo’n cruciale rol speelt. Wat wel duidelijk is, is dat slaap nodig is om alert te blijven en dat slaapgebrek de aandacht en andere mentale vaardigheden aantast. Op fysiek niveau dient slaap om te regenereren: cellen en weefsels worden hersteld, groeihormonen komen vrij en het immuunsysteem wordt versterkt. Slaap speelt ook een centrale rol bij het reguleren van hormonen en de stofwisseling, zoals het regelen van honger, bloedsuiker en de energiebalans.

Een belangrijke functie van slaap heeft te maken met het hersenvocht dat de hersenen omringt en beschermt. Tijdens de slaap helpt het hersenvocht bij het wegspoelen van afvalstoffen die zich ophopen tijdens de wakkere uren. In een onderzoek uit 2019 ontdekten Lewis en haar collega’s dat deze vloeistof tijdens de slaap in een ritmisch patroon beweegt dat nauw samenhangt met veranderingen in de activiteit van de hersengolven.

Deze eerdere ontdekking riep een nieuwe vraag op: Wat gebeurt er met dit vloeistofsysteem wanneer de slaap wordt verstoord? Om daar achter te komen, wierven de onderzoekers 26 vrijwilligers aan die twee keer een test deden, één keer na een nacht van slaaptekort in het laboratorium en één keer na een nacht van voldoende rust. De volgende ochtend voerden de deelnemers een standaard taak uit die ontworpen is om de effecten van slaaptekort te beoordelen, terwijl de onderzoekers verschillende signalen van de hersenen en het lichaam volgden.

Meten van aandacht en vloeistofstroom in de hersenen

Tijdens het experiment droeg elke deelnemer een elektro-encefalogram (EEG) kapje om de hersenactiviteit te volgen terwijl hij in een functional magnetic resonance imaging (fMRI) scanner lag. Het team gebruikte een speciale versie van fMRI die zowel het zuurstofgehalte in het bloed als de beweging van cerebrospinaal vocht (CSF) in en uit de hersenen kon volgen. Hartslag, ademhaling en pupilgrootte werden ook geregistreerd.

De deelnemers deden twee aandachtstests in de scanner, een visuele en een auditieve. Bij de visuele taak keken ze naar een vast kruis op een scherm dat af en toe veranderde in een vierkant. Ze werden geïnstrueerd om op een knop te drukken wanneer er een verandering optrad. Bij de auditieve taak werd het visuele signaal vervangen door een geluid. Zoals verwacht presteerden deelnemers met slaaptekort significant slechter dan degenen die goed uitgerust waren. Hun reacties waren trager en in sommige gevallen namen ze het signaal helemaal niet waar.

Wanneer deze korte onderbrekingen in de aandacht optraden, observeerden de onderzoekers verschillende fysiologische veranderingen die tegelijkertijd optraden. Het meest opvallende was dat hersenvocht uit de hersenen stroomde tijdens de onderbreking en weer terugvloeide zodra de aandacht terugkeerde. “De resultaten suggereren dat op het moment dat de aandacht verslapt, deze vloeistof eigenlijk uit de hersenen wordt gedreven. En wanneer de aandacht terugkeert, wordt het er weer in getrokken,” zegt Lewis.

Het team denkt dat dit patroon de poging van de hersenen weerspiegelt om slaaptekort te compenseren door een reinigingsproces te activeren dat normaal ’s nachts plaatsvindt, zelfs als dit tijdelijk de aandacht verstoort. “Eén manier om deze gebeurtenissen te verklaren is dat je hersenen slaap zo hard nodig hebben dat ze hun best doen om in een slaapachtige toestand te komen om sommige cognitieve functies te herstellen,” zegt Yang. “Het vloeistofsysteem van je hersenen probeert de functie te herstellen door ervoor te zorgen dat de hersenen schakelen tussen staten van hoge alertheid en hoge flow.”

Een samenwerkend systeem van hersenen en lichaam

Uit het onderzoek bleek ook dat aandachtsverlies verband houdt met veranderingen buiten de hersenen zelf. Tijdens deze momenten vertraagden de ademhaling en hartslag en vernauwden de pupillen zich. De vernauwing van de pupillen begon ongeveer 12 seconden voordat het hersenvocht uit de hersenen wegvloeide en keerde om nadat de aandacht terugkeerde. “Interessant genoeg lijkt dit niet alleen een fenomeen in de hersenen te zijn, maar een proces dat het hele lichaam beïnvloedt. Dit suggereert dat deze systemen nauw gecoördineerd zijn. Wanneer de aandacht verslapt, voel je dat perceptueel en psychologisch, maar het weerspiegelt ook een proces dat in de hele hersenen en het hele lichaam plaatsvindt,” zegt Lewis.

Deze bevindingen suggereren dat één enkel regelsysteem zowel aandacht als basale lichaamsfuncties zoals vochtdoorstroming, hartslag en alertheid kan coördineren. “Deze bevindingen suggereren dat er één enkel circuit is dat zowel de hersenfuncties regelt die wij als zeer geavanceerd beschouwen – onze aandacht, ons vermogen om waar te nemen en te reageren op de wereld – als zeer elementaire fysiologische processen zoals de vloeistofdynamica in de hersenen, de bloedstroom door de hersenen en de samentrekking van bloedvaten,” zegt Lewis. Hoewel de onderzoekers niet in staat waren om het specifieke circuit dat hierbij betrokken is te identificeren, wijzen ze op het noradrenerge systeem als een sterke kandidaat. Van dit systeem, dat de neurotransmitter noradrenaline gebruikt om cognitie en lichaamsfuncties te reguleren, is bekend dat het fluctueert tijdens een normale slaap.