Prawie każdy zna to uczucie. Po źle przespanej nocy trudniej jest się skoncentrować. Twoje myśli błądzą, czas reakcji spowalnia, a jasność umysłu spada, zwłaszcza gdy musisz być najbardziej czujny. Nowe badania przeprowadzone przez MIT rzucają światło na to, co dzieje się w mózgu podczas tych krótkich przerw w koncentracji. Badanie pokazuje, że podczas tymczasowej utraty koncentracji, płyn mózgowo-rdzeniowy (CSF) odpływa z mózgu, proces, który normalnie zachodzi podczas snu i pomaga usunąć produkty przemiany materii, które nagromadziły się w ciągu dnia. To działanie oczyszczające jest uważane za ważne dla zdrowia i funkcjonowania mózgu.

Ciało próbuje zrekompensować utracony sen

Niedobór snu odnosi się do stanu, w którym ciało i mózg nie otrzymują wystarczającej ilości snu przez dłuższy lub krótszy okres czasu, aby w pełni zregenerować się i normalnie funkcjonować. Może wystąpić, gdy ilość snu jest regularnie niższa od potrzeb danej osoby lub gdy jakość snu jest obniżona, na przykład z powodu częstego budzenia się lub snu, który nie jest regenerujący. Rozróżnia się ostrą deprywację snu, która występuje po pojedynczych nocach ze zbyt małą ilością snu, oraz chroniczną deprywację snu, która rozciąga się na tygodnie lub miesiące.

Kiedy ktoś cierpi na niedobór snu, wydaje się, że ciało próbuje zrekompensować utracony sen, uruchamiając ruchy płynów podczas fazy czuwania. Jednak ta kompensacja ma znaczną wadę: znacznie zmniejszoną uwagę. „Kiedy nie śpisz, fale płynu mózgowo-rdzeniowego atakują fazę czuwania, w której normalnie byś ich nie widział. Jednak towarzyszy im utrata uwagi, ponieważ uwaga słabnie w momentach, gdy pojawia się ta fala płynu” – mówi Laura Lewis, profesor nadzwyczajny inżynierii elektrycznej i informatyki Athinoula A. Martinos, członek Instytutu Inżynierii Medycznej i Nauki MIT oraz Laboratorium Badawczego Elektroniki, a także członek stowarzyszony Instytutu Picowera ds. Lewis jest starszym autorem badania, które zostało opublikowane w Nature Neuroscience. Zinong Yang, doktorant MIT, jest głównym autorem.

Jak sen oczyszcza mózg

Sen jest niezbędny do przetrwania, ale naukowcy wciąż nie do końca rozumieją, dlaczego odgrywa tak kluczową rolę. Oczywiste jest, że sen jest niezbędny do zachowania czujności, a jego niedobór upośledza uwagę i inne zdolności umysłowe. Na poziomie fizycznym sen służy regeneracji: komórki i tkanki są naprawiane, uwalniane są hormony wzrostu, a układ odpornościowy jest wzmacniany. Sen odgrywa również kluczową rolę w regulacji hormonów i metabolizmu, takich jak kontrolowanie głodu, poziomu cukru we krwi i równowagi energetycznej.

Ważną funkcją snu jest płyn mózgowo-rdzeniowy, który otacza i amortyzuje mózg. Podczas snu płyn mózgowo-rdzeniowy pomaga wypłukiwać produkty przemiany materii, które gromadzą się podczas godzin czuwania. W badaniu z 2019 roku Lewis i jej współpracownicy odkryli, że płyn ten porusza się w rytmiczny sposób podczas snu, który jest ściśle związany ze zmianami aktywności fal mózgowych.

To wcześniejsze odkrycie zrodziło nowe pytanie: Co dzieje się z tym układem płynów, gdy sen jest zakłócony? Aby się tego dowiedzieć, naukowcy zrekrutowali 26 ochotników, którzy przeszli testy dwukrotnie, raz po nocy pozbawionej snu w laboratorium i raz po nocy odpowiedniego odpoczynku. Następnego ranka uczestnicy wykonali standardowe zadanie mające na celu ocenę skutków braku snu, podczas gdy naukowcy śledzili różne sygnały z mózgu i ciała.

Pomiar uwagi i przepływu płynów w mózgu

Podczas eksperymentu każdy uczestnik nosił czepek elektroencefalogramowy (EEG), aby monitorować aktywność mózgu podczas leżenia w skanerze funkcjonalnego rezonansu magnetycznego (fMRI). Zespół wykorzystał specjalną wersję fMRI, która mogła śledzić zarówno poziom tlenu we krwi, jak i ruch płynu mózgowo-rdzeniowego (CSF) do i z mózgu. Rejestrowano również tętno, częstość oddechów i rozmiar źrenic.

Uczestnicy wykonali w skanerze dwa testy uwagi, jeden wzrokowy i jeden słuchowy. W zadaniu wzrokowym obserwowali oni stały krzyżyk na ekranie, który od czasu do czasu zmieniał się w kwadrat. Zostali poinstruowani, aby nacisnąć przycisk za każdym razem, gdy nastąpi zmiana. W zadaniu słuchowym sygnał wizualny został zastąpiony dźwiękiem. Zgodnie z oczekiwaniami, uczestnicy pozbawieni snu osiągali znacznie gorsze wyniki niż ci, którzy byli wypoczęci. Ich odpowiedzi były wolniejsze, a w niektórych przypadkach w ogóle nie dostrzegali sygnału.

Kiedy wystąpiły te krótkie przerwy w uwadze, naukowcy zaobserwowali kilka zmian fizjologicznych, które wystąpiły jednocześnie. Przede wszystkim płyn mózgowo-rdzeniowy przemieszczał się z mózgu podczas przerwy, a następnie przepływał z powrotem, gdy tylko uwaga powróciła. „Wyniki sugerują, że w momencie utraty uwagi płyn ten jest faktycznie usuwany z mózgu. A kiedy uwaga powraca, jest on z powrotem wciągany” – mówi Lewis.

Zespół uważa, że ten wzorzec odzwierciedla próbę zrekompensowania przez mózg braku snu poprzez aktywację procesu oczyszczania, który normalnie zachodzi w nocy, nawet jeśli tymczasowo zakłóca to uwagę. „Jednym ze sposobów wyjaśnienia tych zdarzeń jest to, że mózg tak bardzo potrzebuje snu, że stara się jak najlepiej wejść w stan podobny do snu, aby przywrócić niektóre funkcje poznawcze” – mówi Yang. „System płynów w mózgu próbuje przywrócić funkcje, powodując, że mózg przełącza się między stanami wysokiej czujności i wysokiego przepływu”.

Współpracujący system mózgu i ciała

Badanie wykazało również, że zaniki uwagi są związane ze zmianami zachodzącymi poza samym mózgiem. W tych momentach oddech i tętno zwalniały, a źrenice zwężały się. Zwężenie źrenic rozpoczęło się około 12 sekund przed odpływem płynu mózgowo-rdzeniowego z mózgu i odwróciło się po powrocie uwagi. „Co ciekawe, wydaje się, że nie jest to tylko zjawisko w mózgu, ale proces, który wpływa na całe ciało. Sugeruje to, że systemy te są ściśle skoordynowane. Kiedy uwaga słabnie, odczuwasz to percepcyjnie i psychicznie, ale odzwierciedla to również proces zachodzący w całym mózgu i ciele” – mówi Lewis.

Odkrycia te sugerują, że pojedynczy system kontroli może koordynować zarówno uwagę, jak i podstawowe funkcje organizmu, takie jak przepływ płynów, tętno i czujność. „Odkrycia te sugerują, że istnieje ujednolicony obwód, który kontroluje zarówno funkcje mózgu, które uważamy za wysoce wyrafinowane – naszą uwagę, naszą zdolność postrzegania świata i reagowania na niego – jak i bardzo podstawowe procesy fizjologiczne, takie jak dynamika płynów mózgowych, przepływ krwi w mózgu i zwężenie naczyń krwionośnych” – mówi Lewis. Chociaż naukowcy nie byli w stanie zidentyfikować konkretnego obwodu, wskazują na układ noradrenergiczny jako silnego kandydata. System ten, który wykorzystuje neuroprzekaźnik noradrenalinę do regulacji funkcji poznawczych i funkcji organizmu, jest znany z fluktuacji podczas normalnego snu.