Как мозъкът „внушава“ умора: fMRI динамика по време на заспиване

Проучване на екипа на професор II Гаез от Университета на Южна Калифорния (USC), публикувано в iScience, демонстрира нови обективни невроизобразяващи маркери, които могат да открият началото на сънливостта в ранен етап - преди човек да е заспал напълно.

Задача и релевантност

Микросънят и моментната загуба на внимание водят до стотици пътнотранспортни произшествия и производствени наранявания. Досега беше трудно да се предвиди точното време на „заспиване“ с помощта на субективни въпросници или електроенцефалограма. В това проучване изследователите са изследвали дали е възможно да се открие началото на периода на заспиване (SOP) чрез промени в BOLD сигнала при функционален ЯМР.

Защо това е важно?

• Ранна диагностика на умората. Идентифицирането на прецизни неврокарти помага за разработването на методи за наблюдение на водачите и операторите, предотвратявайки инциденти, дължащи се на микросън.
• Изследване на съня. Динамиката на бавните BOLD трептения може да се превърне в обективен биомаркер за началото на SOP, допълвайки психологическите и електрофизиологичните тестове.
• Невромодулация: Насочването към таламуса или мрежите за внимание чрез невростимулация може да удължи будността в критични ситуации без фармакология.

„За първи път показахме, че преходът към сънливост е съпроводен от ясни, възпроизводими промени в бавните флуктуации на BOLD сигнала“, коментира II Gaez. „Това отваря пътя към обективно наблюдение на умората, базирано на невроизобразяване.“

Експериментален дизайн

1. Кворум от доброволци: 20 здрави участници (10 мъже/10 жени, на възраст 22–35 години) без нарушения на съня.
2. Сън в ЯМР скенера: Субектите лежаха със затворени очи и им беше позволено да заспят свободно, докато скенерът възпроизвеждаше фонов шум (80 dB).
   • ЕЕГ (собствени електроди в скенера),
   • Амплитуда на движението на очите (EOM),
   • Камера за наблюдение на клепачите.
3. Дефиниция на SOP: чрез комбинацията от полузатворени клепачи, забавяне на ЕЕГ ритмите и, за първи път, чрез промени в BOLD параметрите.

Подробен анализ на BOLD сигнала

• Нискочестотни колебания (0,03–0,07 Hz): в ранните етапи на SOP амплитудата на тези трептения се е увеличила с 30–50% в
  • таламус (координация на будността),
  • тилна кора (визуална обработка),
  • възли на мрежата по подразбиране (DMN): медиален префронтален кортекс и PCC.
• Функционална свързаност:
  • Таламус ↔ префронтален кортекс: повишен с 20%, което показва повишен „транслация“ на сигналите за сън към кората.
  • Мрежа за внимание (DAN): Връзките между париеталния и фронталния лоб са намалени с 15%, което отразява отслабване на външната ориентация.

Корелация с умората

• Индивидуални различия: Участниците с по-малко 24-часов сън (<6 часа) показват по-ранно и по-изразено увеличение на нискочестотните трептения.
• Поведенчески данни: Първите признаци на микросън (забавен отговор на проста визуална задача при ЯМР) съвпадат с пиковата амплитуда на оста таламус-DMN BOLD.

Възможни приложения

1. Мониторинг на водача и оператора: прехвърляне на fMRI резултатите към преносими fMRI или EEG устройства за ранно предупреждение за умора.
2. Персонализирани работни графици: отчитане на индивидуалния „праг“ на стандартните оперативни процедури (СОП) при планиране на смените и почивките, намаляване на инцидентите.
3. Терапия на съня: тестване на ефектите на кофеина, кратките дрямки и невромодулацията (транскраниална магнитна стимулация) върху забавянето на BOLD промените.

Цитати на автори

„За първи път показахме как бавните BOLD трептения в таламуса и кората предсказват началото на съня“, коментира проф. Гаез. „Това отваря пътя към разработването на обективни „физиологични очи“ за наблюдение на бдителността.“

„Нашите открития ни позволяват да преосмислим управлението на умората: вече не е достатъчно да питаме „Как спахте?“ – трябва да можем да „виждаме“ мозъка“, добавя съавторът д-р Ли Дзин.

Авторите подчертават следните ключови моменти:

• Невробиологична надеждност на маркерите
  „Увеличаването на нискочестотните флуктуации на BOLD сигнала в таламуса и мрежата на пасивния режим ясно корелира с обективни признаци на сънливост (затваряне на клепачите, забавяне на ЕЕГ), - отбелязва II Gaez. - Това доказва, че SOP може да се „види“ не само чрез поведението, но и директно чрез мозъчната активност.“

• Индивидуални различия
  „Открихме, че хората с хронична липса на сън показват по-ранни и по-изразени промени в BOLD“, казва д-р Лий. „Това отваря възможността за персонализиране на стратегиите за борба с умората: някои може да се нуждаят от по-чест „микросън“, докато други може да се нуждаят от светлинна терапия или невростимулация.“

• Прилагане на практика
  „Следващата стъпка е да се адаптират тези маркери към преносими технологии (fNCD, сухи ЕЕГ капсули), за да се следи бдителността в реално време при шофьори и оператори“, добавя проф. Мартинес.

• Клинични перспективи
  „Откритите промени могат да помогнат и при диагностицирането на нарушения на съня: безсънието, апнеята и нарколепсията имат различни ефекти върху ранната фаза на SOP, а маркерът BOLD ще помогне за диференцирането на тези състояния“, заключава д-р Сингх.

Това изследване проправя пътя за невротехнологии за предотвратяване на злополуки и наранявания, базирани на маркери за настъпване на сънливост в реално време и индивидуални маркери, и обещава да направи пътищата и индустриалните обекти по-безопасни.