Vores øjne er normalt lukkede, når vi sover. Men der foregår en masse aktivitet under vores lukkede øjenlåg: Et forskerhold under ledelse af seniorforskerne Caroline Lustenberger, Sarah Meissner og Nicole Wenderoth fra Neuronal Movement Control Laboratory ved ETH Zürich har observeret, at pupillens størrelse svinger konstant under søvnen.

Pupillen under søvn

Nogle gange udvider den sig, andre gange trækker den sig sammen; nogle gange sker disse ændringer inden for få sekunder, andre gange først i løbet af flere minutter. “Denne dynamik afspejler ophidselsestilstanden eller graden af hjerneaktivering i de regioner, der er ansvarlige for regulering af søvn og vågenhed,” siger Lustenberger. “Disse observationer modsiger den tidligere antagelse om, at ophidselsesniveauet under søvn generelt er lavt.”

I stedet viser disse udsving i pupilstørrelse, at hjernen konstant veksler mellem højere og lavere aktiveringsniveauer, selv under søvn. Disse nye resultater bekræfter for mennesker, hvad andre forskergrupper for nylig har opdaget i undersøgelser af gnavere, som også viser langsomme udsving i aktiveringsniveauet (kendt i det videnskabelige samfund som arousal). ETH-forskernes undersøgelse blev for nylig offentliggjort i tidsskriftet Nature Communications.

Pupildynamik er ikke kun relateret til de forskellige søvnfaser

De områder af hjernen, der styrer aktiveringstilstanden, ligger dybt i hjernestammen. Derfor har det været svært at måle disse processer direkte hos mennesker under søvn. De eksisterende metoder er teknisk krævende og endnu ikke etableret i denne sammenhæng. ETH-forskernes undersøgelse er derfor baseret på pupilmålinger. Det er velkendt, at pupillerne indikerer aktiveringstilstanden, når en person er vågen. De kan derfor bruges som markører for aktivitet i dybere hjerneområder.

For at undersøge ændringerne i menneskers pupiller under søvn udviklede ETH-forskerne en ny metode: Ved hjælp af en særlig klæbeteknik og et gennemsigtigt plaster var de i stand til at holde forsøgspersonernes øjne åbne i flere timer. “Vores største bekymring var, at forsøgspersonerne ikke ville være i stand til at sove med åbne øjne. Men i et mørkt rum glemmer de fleste, at deres øjne stadig er åbne og kan sove,” forklarer undersøgelsens hovedforfatter, Manuel Carro Domínguez, som har udviklet teknikken.

Analysen af dataene viste, at pupildynamikken ikke kun er forbundet med de forskellige søvnfaser, men også med specifikke mønstre af hjerneaktivitet, såsom søvnspindler og udprægede dybe søvnbølger – hjernebølger, der er vigtige for hukommelseskonsolidering og søvnstabilitet. Forskerne opdagede også, at hjernen reagerer på lyde med forskellig intensitet afhængigt af aktiveringsniveauet, hvilket afspejles i pupillens størrelse.

En central regulator af aktiveringsniveauet er et lille område i hjernestammen kaldet locus coeruleus. Hos dyr har forskere vist, at det er vigtigt for reguleringen af søvnstadier og vågenhed. I denne undersøgelse var ETH-forskerne ikke i stand til at bevise, om locus coeruleus faktisk er direkte ansvarlig for pupilændringerne. Eksperterne observerede kun ændringer i pupillerne, som er relateret til graden af hjerneaktivering og hjerteaktivitet.

I en opfølgende undersøgelse vil forskerne forsøge at påvirke aktiviteten i locus coeruleus med medicin for at undersøge, hvordan det påvirker pupildynamikken. De håber at få indsigt i, om dette hjerneområde faktisk er ansvarligt for at kontrollere pupillerne under søvnen, og hvordan ændringer i aktiveringsniveauet påvirker søvnen og dens funktioner.

Brug af pupildynamik til at diagnosticere sygdomme

At forstå pupildynamikken under søvn kan også give vigtig indsigt i diagnosticering og behandling af søvnforstyrrelser og andre sygdomme. Forskerne vil derfor undersøge, om ændringer i pupillen under søvnen kan give fingerpeg om funktionsforstyrrelser i arousalsystemet. Det drejer sig om lidelser som søvnløshed, posttraumatisk stresslidelse og muligvis Alzheimers sygdom.

Et andet mål er at gøre teknologien anvendelig uden for søvnlaboratorier, f.eks. på hospitaler, hvor den kan hjælpe med at overvåge komapatienters vågenhed eller diagnosticere søvnforstyrrelser mere præcist. Pupillen som et vindue til hjernen kan således bane vejen for nye muligheder inden for søvnmedicin og neurovidenskab.