Nästan alla känner igen den här känslan. Efter en natt med dålig sömn är det svårare att koncentrera sig. Tankarna vandrar, reaktionstiden blir långsammare och den mentala klarheten minskar, särskilt när man behöver vara som mest alert. Ny forskning från MIT kastar ljus över vad som händer i hjärnan under dessa korta koncentrationssvackor. Studien visar att under en tillfällig koncentrationsförlust dräneras hjärnan på cerebrospinalvätska (CSF), en process som normalt sker under sömnen och som hjälper till att avlägsna avfallsprodukter som har samlats under dagen. Denna renande aktivitet anses vara viktig för hjärnans hälsa och funktion.

Kroppen försöker kompensera för förlorad sömn

Sömnbrist är ett tillstånd där kroppen och hjärnan inte får tillräckligt med sömn under en längre eller kortare tid för att återhämta sig helt och fungera normalt. Det kan uppstå när sömnmängden regelbundet understiger individens behov eller när sömnkvaliteten är nedsatt, till exempel på grund av frekventa uppvaknanden eller sömn som inte är återhämtande. Man skiljer mellan akut sömnbrist, som uppstår efter enstaka nätter med för lite sömn, och kronisk sömnbrist, som sträcker sig över veckor eller månader.

När någon lider av sömnbrist verkar kroppen försöka kompensera för den förlorade sömnen genom att utlösa dessa vätskerörelser under den vakna fasen. Denna kompensation har dock en betydande nackdel: kraftigt minskad uppmärksamhet. ”När du inte sover invaderar CSF-vågorna den vakna fasen, där du normalt inte skulle se dem. Men de åtföljs av en förlust av uppmärksamhet, eftersom uppmärksamheten avtar under de ögonblick då denna vätskevåg uppstår”, säger Laura Lewis, Athinoula A. Martinos Associate Professor i elektroteknik och datavetenskap, medlem av MIT Institute for Medical Engineering and Science och Research Laboratory of Electronics, samt associerad medlem av Picower Institute for Learning and Memory. Lewis är huvudförfattare till studien, som publicerades i Nature Neuroscience. MIT:s postdoktor Zinong Yang är huvudförfattare.

Hur sömnen rensar hjärnan

Sömn är avgörande för överlevnad, men forskarna förstår fortfarande inte helt varför den spelar en så avgörande roll. Klart är att sömn är nödvändigt för att hålla sig vaken och att sömnbrist har visat sig försämra uppmärksamheten och andra mentala förmågor. På det fysiska planet bidrar sömnen till förnyelse: celler och vävnader repareras, tillväxthormoner frisätts och immunförsvaret stärks. Sömnen spelar också en central roll i regleringen av hormoner och ämnesomsättning, t.ex. för att kontrollera hunger, blodsocker och energibalans.

En viktig funktion av sömnen är cerebrospinalvätskan som omger och dämpar hjärnan. Under sömnen hjälper cerebrospinalvätskan till att spola ut avfallsprodukter som ackumuleras under vakna timmar. I en studie från 2019 fann Lewis och hennes kollegor att denna vätska rör sig i ett rytmiskt mönster under sömnen som är nära relaterat till förändringar i hjärnans vågaktivitet.

Denna tidigare upptäckt väckte en ny fråga: Vad händer med detta vätskesystem när sömnen störs? För att ta reda på det rekryterade forskarna 26 frivilliga som genomförde tester två gånger, en gång efter en natt med sömnbrist i labbet och en gång efter en natt med tillräcklig vila. Nästa morgon utförde deltagarna en standarduppgift som utformats för att bedöma effekterna av sömnbrist, medan forskarna spårade en mängd olika hjärn- och kroppssignaler.

Mätning av uppmärksamhet och vätskeflöde i hjärnan

Under experimentet bar varje deltagare en EEG-mössa (elektroencefalogram) för att övervaka hjärnans aktivitet medan de låg i en fMRI-skanner (functional magnetic resonance imaging). Teamet använde en speciell version av fMRI som kunde spåra både syrenivåerna i blodet och rörelsen av cerebrospinalvätska (CSF) in och ut ur hjärnan. Hjärtfrekvens, andningsfrekvens och pupillstorlek registrerades också.

Deltagarna genomförde två uppmärksamhetstester i skannern, ett visuellt och ett auditivt. I den visuella uppgiften observerade de ett fast kors på en skärm som ibland ändrades till en kvadrat. De instruerades att trycka på en knapp när en förändring inträffade. I den auditiva uppgiften ersattes den visuella signalen av ett ljud. Som väntat presterade deltagare med sömnbrist betydligt sämre än de som var utvilade. Deras svar var långsammare och i vissa fall uppfattade de inte signalen alls.

När dessa korta avbrott i uppmärksamheten inträffade observerade forskarna flera fysiologiska förändringar som skedde samtidigt. Framför allt rörde sig cerebrospinalvätska ut ur hjärnan under avbrottet och flödade sedan tillbaka in så snart uppmärksamheten återvände. ”Resultaten tyder på att denna vätska faktiskt försvinner från hjärnan när uppmärksamheten avtar. Och när uppmärksamheten återvänder dras den in igen”, säger Lewis.

Teamet tror att detta mönster återspeglar hjärnans försök att kompensera för sömnbristen genom att aktivera en reningsprocess som normalt sker på natten, även om detta tillfälligt stör uppmärksamheten. ”Ett sätt att förklara dessa händelser är att hjärnan är i så stort behov av sömn att den gör sitt bästa för att gå in i ett sömnliknande tillstånd för att återställa vissa kognitiva funktioner”, säger Yang. ”Hjärnans vätskesystem försöker återställa funktionen genom att få hjärnan att växla mellan tillstånd av hög vakenhet och högt flöde.”

Ett samverkande system för hjärna och kropp

Studien visade också att uppmärksamhetsbortfall är relaterade till förändringar utanför själva hjärnan. Under dessa ögonblick saktade andningen och hjärtfrekvensen ner och pupillerna sammandrogs. Pupillförträngningen började cirka 12 sekunder innan cerebrospinalvätskan dränerades från hjärnan och vände efter att uppmärksamheten återvände. ”Intressant nog verkar detta inte bara vara ett fenomen i hjärnan, utan en process som påverkar hela kroppen. Detta tyder på att dessa system är nära samordnade. När uppmärksamheten avtar känner man det perceptuellt och psykologiskt, men det återspeglar också en process som äger rum i hela hjärnan och kroppen”, säger Lewis.

Dessa resultat tyder på att ett enda kontrollsystem kan samordna både uppmärksamhet och grundläggande kroppsfunktioner som vätskeflöde, hjärtfrekvens och vakenhet. ”Dessa resultat tyder på att det finns en enhetlig krets som styr både de hjärnfunktioner som vi anser vara mycket sofistikerade – vår uppmärksamhet, vår förmåga att uppfatta och reagera på världen – och mycket grundläggande fysiologiska processer som hjärnans vätskedynamik, blodflödet genom hjärnan och blodkärlens sammandragning”, säger Lewis. Även om forskarna inte kunde identifiera den specifika krets som var inblandad, pekar de på det noradrenerga systemet som en stark kandidat. Detta system, som använder signalsubstansen noradrenalin för att reglera kognition och kroppsfunktioner, är känt för att fluktuera under normal sömn.