Человеческий мозг во время сна претерпевает удивительные изменения, которые до недавнего времени оставались загадкой для нейробиологов. Новое исследование раскрыло, как внутренние временные механизмы мозга замедляются во время сна, причем этот процесс происходит двумя различными способами. Ученые обнаружили, что мозговые ритмы действительно становятся медленнее в период отдыха, но характер этих изменений зависит от типа сигнала и области мозга. Результаты работы показывают сложную многослойную организацию временных процессов в коре головного мозга и проливают свет на то, как различные мозговые ритмы выполняют специфические функции даже в состоянии покоя.
Временные шкалы мозга и их роль
В нейронауке существует понятие временных шкал — это показатель того, как долго нервные сигналы остаются автокоррелированными, или насколько долго сигнал «помнит» свое прошлое состояние. Эти временные характеристики различаются в разных областях мозга и тесно связаны с тем, как обрабатывается и интегрируется информация.
Сенсорные области обычно демонстрируют более короткие временные шкалы, что позволяет быстро реагировать на внешние стимулы, в то время как ассоциативные зоны, участвующие в сложной обработке данных, работают с более длительными временными периодами.
Предыдущие исследования уже показывали, что во время сна временные шкалы удлиняются, однако природа этих изменений и их организация в различных участках мозга оставались неясными. Понимание этих процессов критически важно для:
- изучения механизмов консолидации памяти;
- исследования процессов восстановления мозговых функций;
- разработки методов диагностики нарушений сна;
- понимания роли различных фаз сна в когнитивных процессах.
Методология исследования электрической активности
Команда исследователей проанализировала записи интракраниальной электроэнцефалографии (иЭЭГ) от 106 пациентов с эпилепсией, которым электроды были имплантированы по клиническим показаниям. Данные включали активность мозга, зафиксированную во время бодрствования, глубокого медленноволнового сна (NREM3) и REM-сна.
Возраст участников варьировался от 13 до 62 лет, среди них было 48 женщин. Ученые сосредоточились на одноминутных записях во время каждого состояния и изучили активность более чем 1000 электродных участков, распределенных по всей коре головного мозга.
Исследовательская группа извлекла два различных типа временных шкал:
- Широкополосный сигнал и ЭЭГ (0,5-80 Гц) — охватывает широкий спектр мозговой активности от медленных до быстрых частот;
- Гамма-диапазон (40-80 Гц) — быстрый ритм, связанный с сенсорной обработкой и когнитивными функциями.
Временные шкалы измерялись с помощью функции автокорреляции, которая показывает, как долго сигнал остается похожим на самого себя во времени.
Противоположные паттерны изменений во сне
Результаты показали, что оба типа временных шкал становятся длиннее во время сна по сравнению с бодрствованием. В глубоком медленноволновом сне широкополосные временные шкалы увеличивались в среднем на 105 миллисекунд в различных областях мозга, а гамма-шкалы — приблизительно на 31 миллисекунду.
Самое интересное открытие заключалось в том, что эти изменения следовали разным паттернам в зависимости от типа сигнала. Широкополосные временные шкалы следовали известной иерархии мозга — увеличиваясь от сенсорных областей (зрительная кора) к высшим регионам (медиальная височная доля и орбитофронтальная кора).
Гамма-временные шкалы демонстрировали противоположную тенденцию:
- становились длиннее в сенсорных регионах (зрительная и слуховая кора);
- укорачивались в ассоциативных областях;
- показывали обращение типичной иерархии;
- указывали на различные функции в период сна.
Это обращение иерархии предполагает, что гамма-основанные временные шкалы могут выполнять особые функции во время сна, возможно, связанные с переработкой сенсорной информации или консолидацией памяти.
Роль медленных волн в изменении ритмов
Чтобы понять механизмы увеличения временных шкал во сне, исследователи сосредоточились на медленных волнах — крупных, медленных осцилляциях, которые являются отличительной чертой глубокого сна. Используя отдельную 10-минутную запись NREM3-сна, они идентифицировали более 85 000 индивидуальных событий медленных волн.
Результаты показали драматические изменения во время этих событий. Широкополосные временные шкалы возросли на 171% вокруг впадины медленных волн, в то время как гамма-шкалы увеличились только на 51%. Более того, мозговые регионы с более высокой общей плотностью медленных волн демонстрировали более длинные широкополосные временные шкалы.
Это указывает на прямую связь между активностью медленных волн и временной динамикой мозга. Медленноволновая активность «навязывает» свой ритм другим процессам, синхронизируя различные области коры.
Пространственная интеграция и взаимодействие областей
Исследование также изучило, как мозговые регионы взаимодействуют в пространстве во время различных состояний. Измерив пространственные корреляции — насколько две области мозга флуктуируют синхронно — ученые обнаружили, что дальняя синхронизация была наиболее сильной во время глубокого сна.
Во время бодрствования широкополосные пространственные корреляции были наиболее высокими на больших расстояниях, в то время как гамма-корреляции достигали пика во время NREM-сна, но только на коротких дистанциях.
Эти находки указывают на то, что способность мозга интегрировать информацию в пространстве и времени варьируется в зависимости от:
- Состояния сна;
- Типа нейрональной активности;
- Расстояния между мозговыми областями;
- Частотного диапазона сигналов.
Глубокий сон показал увеличенные пространственные корреляции и более длинные временные шкалы в нескольких областях, указывая на усиленную локальную координацию, а не глобальное отключение.
Значение открытия для понимания сна
Одним из ключевых выводов является то, что внутренние временные механизмы мозга гораздо сложнее, чем считалось ранее. Вместо единой временной шкалы, удлиняющейся во сне, исследование выявило множественные шкалы, различающиеся по частотному диапазону и расположению в коре.
Эта многослойная организация предполагает, что различные ритмы могут выполнять специфические функции даже в пределах одной мозговой области. Сон больше не воспринимается как состояние простого отключения — результаты показывают сложные активные процессы реорганизации временных паттернов.
REM-сон демонстрировал сниженные пространственные корреляции, что может отражать более фрагментированный или внутренне сосредоточенный режим активности, характерный для периодов интенсивных сновидений.
Результаты исследования открывают новые перспективы для понимания того, как мозг восстанавливается во время отдыха и каким образом различные фазы сна способствуют консолидации памяти и обработке информации. Обнаружение противоположных паттернов изменения временных шкал в разных частотных диапазонах указывает на существование параллельных, но различных процессов, происходящих одновременно в спящем мозге. Это открытие может революционизировать подходы к изучению расстройств сна и разработке методов улучшения качества отдыха.