Сон и бодрствование: это совершенно разные состояния бытия, которые определяют границы нашей повседневной жизни. В течение многих лет ученые измеряли разницу между этими инстинктивными мозговыми процессами, наблюдая за мозговыми волнами, причем сон характеризуют медленные, продолжительные волны, измеряемые десятыми долями секунды и проходящие через весь орган.

Впервые ученые обнаружили, что сон можно обнаружить по паттернам нейронной активности длиной всего в миллисекунды, в 1000 раз короче секунды, что открывает новый способ изучения и понимания основных паттернов мозговых волн, которые управляют сознанием. Они также показывают, что небольшие области мозга могут на мгновение «мерцать» бодрствующими, пока остальная часть мозга остается спящей, и наоборот от бодрствования ко сну.

Эти результаты, описанные в новом исследовании , опубликованном в журнале Nature Neuroscience , являются результатом сотрудничества между лабораториями доцента биологии Кейта Хенгена в Университете Вашингтона в Сент-Луисе и выдающегося профессора биомолекулярной инженерии Дэвида Хаусслера в Калифорнийском университете в Санта-Крузе. Исследование было проведено аспирантами Дэвидом Парксом (UCSC) и Эйданом Шнайдером (WashU).

За четыре года работы Паркс и Шнайдер обучили нейронную сеть изучать закономерности в огромных массивах данных мозговых волн, выявляя закономерности, возникающие на чрезвычайно высоких частотах, которые никогда ранее не были описаны и бросают вызов основополагающим, давно устоявшимся концепциям неврологической основы сна и бодрствования.

«С мощными инструментами и новыми вычислительными методами можно многого добиться, бросив вызов нашим самым базовым предположениям и переосмыслив вопрос «что такое состояние?»», — сказал Хенген. «Сон или бодрствование — это единственный величайший фактор, определяющий ваше поведение, а все остальное оттуда выпадает. Так что если мы не понимаем, что такое сон и бодрствование на самом деле, то, похоже, мы упустили свой шанс».

«Для нас, как ученых, было неожиданностью обнаружить, что разные части нашего мозга на самом деле немного дремлют, когда остальная часть мозга бодрствует, хотя многие люди, возможно, уже подозревали это у своих супругов, так что, возможно, именно отсутствие предвзятости по отношению к мужчинам и женщинам и является удивительным», — пошутил Хаусслер.

Понимание сна
Нейробиологи изучают мозг посредством записей электрических сигналов мозговой активности , известных как электрофизиологические данные, наблюдая за волнами напряжения, которые нарастают и падают с разной скоростью. В эти волны вплетены паттерны спайков отдельных нейронов.

Исследователи работали с данными мышей в лаборатории Хенгена в Сент-Луисе. Свободно ведущие себя животные были оснащены очень легкой гарнитурой, которая регистрировала мозговую активность из 10 различных областей мозга в течение месяцев, отслеживая напряжение от небольших групп нейронов с точностью до микросекунды.

Такой объем входных данных создал петабайты — что в миллион раз больше гигабайта — данных. Дэвид Паркс возглавил работу по передаче этих необработанных данных в искусственную нейронную сеть, которая может находить очень сложные закономерности, различать данные сна и бодрствования и находить закономерности, которые человеческое наблюдение могло пропустить. Сотрудничество с общей академической компьютерной инфраструктурой, расположенной в Калифорнийском университете в Сан-Диего, позволило команде работать с таким объемом данных, который был в масштабе того, что могли бы использовать такие крупные компании, как Google или Facebook.

Зная, что сон традиционно определяется медленно движущимися волнами, Паркс начал вводить в нейронную сеть все меньшие и меньшие порции данных и попросил ее предсказать, спит мозг или бодрствует.

Команда обнаружила, что модель может различать сон и бодрствование всего на основе данных об активности мозга за миллисекунды. Это было шоком для исследовательской группы — это показало, что модель не могла полагаться на медленно движущиеся волны, чтобы узнать разницу между сном и бодрствованием. Так же, как прослушивание песни длительностью в тысячную долю секунды не может сказать вам, есть ли у нее медленный ритм, для модели было бы невозможно узнать ритм, который происходит в течение нескольких секунд, просто глядя на случайные изолированные миллисекунды информации.

«Мы видим информацию на уровне детализации, который беспрецедентен», — сказал Хаусслер. «Раньше было ощущение, что там ничего не будет найдено, что вся важная информация находится в волнах более медленных частот. В этой статье говорится, что если вы проигнорируете обычные измерения и просто посмотрите на детали высокочастотного измерения всего за тысячную долю секунды, то там будет достаточно информации, чтобы определить, спит ткань или нет. Это говорит нам о том, что что-то происходит в очень быстром масштабе — это новый намек на то, что может происходить во сне».

Хенген, со своей стороны, был убежден, что Паркс и Шнайдер что-то упустили, поскольку их результаты были настолько противоречивы основополагающим концепциям, вбитым в него за многие годы обучения нейронауке. Он попросил Паркса предоставить все больше и больше доказательств того, что это явление может быть реальным.

«Это заставило меня спросить себя: «В какой степени мои убеждения основаны на доказательствах, и какие доказательства мне нужно увидеть, чтобы опровергнуть эти убеждения?» — сказал Хенген. «Это действительно было похоже на игру в кошки-мышки, потому что я снова и снова просил Дэвида [Паркса] предоставить больше доказательств и доказать мне что-то, а он возвращался и говорил: «Проверьте это». Это был действительно интересный процесс для ученого — заставлять своих студентов разрушать эти башни по кирпичику, и мне приходилось мириться с этим».

Местные закономерности
Поскольку искусственная нейронная сеть по сути является черным ящиком и не отчитывается о том, чему она научилась, Паркс начал удалять слои временной и пространственной информации, чтобы попытаться понять, на каких закономерностях могла бы обучаться модель.

В конце концов они дошли до точки, где рассматривали фрагменты данных мозга длительностью всего в миллисекунду и на самых высоких частотах колебаний напряжения мозга.

«Мы извлекли всю информацию, которую нейробиология использовала для понимания, определения и анализа сна за последнее столетие, и задались вопросом: «Может ли модель продолжать обучаться в этих условиях?» — сказал Паркс. «Это позволило нам изучить сигналы, которые мы раньше не понимали».

Рассмотрев эти данные, они смогли определить, что сверхбыстрый паттерн активности между всего несколькими нейронами был фундаментальным элементом сна, который обнаруживала модель. Важно то, что такие паттерны не могут быть объяснены традиционными, медленными и широко распространенными волнами. Исследователи выдвигают гипотезу, что медленно движущиеся волны могут действовать для координации быстрых, локальных паттернов активности, но в конечном итоге пришли к выводу, что быстрые паттерны гораздо ближе к истинной сути сна.

Если медленно движущиеся волны, традиционно используемые для определения сна, сравнить с тысячами людей на бейсбольном стадионе, делающих волну, то эти быстро движущиеся узоры — это разговоры всего лишь между несколькими людьми, решившими принять участие в волне. Эти происходящие разговоры необходимы для того, чтобы произошла общая большая волна, и они более непосредственно связаны с настроением стадиона — волна является вторичным результатом этого.

Наблюдение за мерцаниями
При дальнейшем изучении гиперлокальных моделей активности исследователи начали замечать еще одно удивительное явление.

Наблюдая за моделью, предсказывающей сон или бодрствование, они заметили то, что на первый взгляд выглядело как ошибки, когда на долю секунды модель обнаруживала бодрствование в одной области мозга, в то время как остальная часть мозга оставалась спящей. Они увидели то же самое в состояниях бодрствования: на долю секунды одна область засыпала, в то время как остальные области бодрствовали. Они называют эти случаи «мерцаниями».

«Мы могли посмотреть на отдельные временные точки, когда эти нейроны активизировались, и было совершенно ясно, что [нейроны] переходили в другое состояние», — сказал Шнайдер. «В некоторых случаях эти мерцания могли быть ограничены областью только отдельного участка мозга, возможно, даже меньше этого».

Это побудило исследователей изучить, какое значение мерцания могут иметь для функции сна и как они влияют на поведение во время сна и бодрствования.

«Здесь есть естественная гипотеза: допустим, небольшая часть вашего мозга засыпает, пока вы бодрствуете. Означает ли это, что ваше поведение внезапно становится похожим на то, что вы спите? Мы начали замечать, что это часто так», — сказал Шнайдер.

Наблюдая за поведением мышей, исследователи увидели, что когда область мозга мерцала, чтобы заснуть, в то время как остальная часть мозга бодрствовала, мышь замирала на секунду, как будто отключалась. Мерцание во время сна (одна область мозга «просыпается») отражалось в подергивании животного во сне.

Мерцания особенно удивительны, поскольку они не следуют установленным правилам, определяющим строгий цикл последовательного перехода мозга от бодрствования к медленному сну и к быстрому сну.

«Мы видим мерцания от бодрствования к быстрому сну, от быстрого сна к небыстрому сну — мы видим все эти возможные комбинации, и они нарушают правила, которые можно было бы ожидать на основе ста лет литературы», — сказал Хенген. «Я думаю, они раскрывают разделение между макросостоянием — сном и бодрствованием на уровне всего животного, и фундаментальной единицей состояния в мозге — быстрыми и локальными паттернами».

Влияние
Более глубокое понимание закономерностей, возникающих на высоких частотах, и мерцаний между бодрствованием и сном может помочь исследователям лучше изучать нейродегенеративные заболевания и заболевания, связанные с развитием нервной системы, которые связаны с нарушением регуляции сна. Лабораторные группы Хаусслера и Хенгена заинтересованы в дальнейшем понимании этой связи, при этом Хаусслер заинтересован в дальнейшем изучении этих явлений в моделях церебральных органоидов, кусочках мозговой ткани, выращенных на лабораторном столе.

«Это дает нам потенциально очень, очень острый скальпель, которым мы можем вникать в вопросы болезней и расстройств», — сказал Хенген. «Чем больше мы фундаментально понимаем, что такое сон и бодрствование, тем больше мы можем решать соответствующие клинические и связанные с болезнями проблемы».

На фундаментальном уровне эта работа помогает нам глубже понять многослойную структуру мозга как органа, определяющего поведение, эмоции и многое другое.