Hur hjärnan "föreslår" trötthet: fMRI-dynamik under insomnande

En studie av professor II Gaezs team vid University of Southern California (USC), publicerad i iScience, visar på nya objektiva neuroavbildningsmarkörer som kan upptäcka uppkomsten av dåsighet i ett tidigt skede – innan en person sover helt.

Uppgift och relevans

Mikrosömn och tillfällig förlust av uppmärksamhet leder till hundratals trafikolyckor och arbetsskador. Hittills har det varit svårt att förutsäga den exakta tidpunkten för "insomning" med hjälp av subjektiva frågeformulär eller ett elektroencefalogram. I den här studien undersökte forskarna om det är möjligt att upptäcka början av sömnens insömnperiod (SOP) genom förändringar i BOLD-signalen i funktionell MR.

Varför är detta viktigt?

• Tidig diagnos av trötthet. Identifiering av exakta neurokartor hjälper till att utveckla metoder för att övervaka förare och operatörer, vilket förhindrar olyckor på grund av mikrosömn.
• Sömnforskning. Dynamiken hos långsamma BOLD-oscillationer kan bli en objektiv biomarkör för SOP-debut, som kompletterar psykologiska och elektrofysiologiska tester.
• Neuromodulering: Att rikta in sig på thalamus eller uppmärksamhetsnätverken med neurostimulering kan förlänga vakenhetstiden i kritiska situationer utan farmakologi.

”Vi har för första gången visat att övergången till dåsighet åtföljs av tydliga, reproducerbara förändringar i långsamma fluktuationer i BOLD-signalen”, kommenterar II Gaez. ”Detta öppnar vägen för objektiv övervakning av trötthet baserat på neuroavbildning.”

Experimentell design

1. Kvorum av frivilliga: 20 friska deltagare (10 m/10 f, i åldern 22–35 år) utan sömnstörningar.
2. Sömn i MR-skannern: Försökspersonerna låg med slutna ögon och fick somna fritt med skannern som spelade bakgrundsljud (80 dB).
   • EEG (egna elektroder i skannern),
   • EOM (ögonrörelseamplitud),
   • Ögonlocksövervakningskamera.
3. Definition av SOP: genom kombinationen av halvslutna ögonlock, långsammare EEG-rytmer och, för första gången, genom förändringar i BOLD-parametrar.

Detaljerad analys av BOLD-signalen

• Lågfrekventa fluktuationer (0,03–0,07 Hz): i de tidiga stadierna av SOP ökade amplituden för dessa oscillationer med 30–50 % i
  • talamus (vakenhetskoordination),
  • occipital cortex (visuell bearbetning),
  • noder i standardlägesnätverket (DMN): medial prefrontal cortex och PCC.
• Funktionell anslutning:
  • Thalamus ↔ prefrontal cortex: ökad med 20 %, vilket indikerar ökad ”översättning” av sömnsignaler till cortex.
  • Uppmärksamhetsnätverk (DAN): Förbindelserna mellan parietal- och frontalloberna minskade med 15 %, vilket återspeglar en försvagning av den externa orienteringen.

Korrelation med trötthet

• Individuella skillnader: Deltagare med mindre 24-timmarssömn (<6 timmar) uppvisade en tidigare och mer uttalad ökning av lågfrekventa oscillationer.
• Beteendedata: De första tecknen på mikrosömn (fördröjd respons på en enkel visuell uppgift i MR) sammanföll med toppamplituden för thalamus–DMN BOLD-axeln.

Möjliga tillämpningar

1. Övervakning av förare och operatörer: överföring av fMRI-fynd till bärbara fMRI- eller EEG-enheter för tidig varning om trötthet.
2. Personliga arbetsscheman: hänsyn tas till den individuella "tröskeln" för standardoperationer (SOP) vid planering av skift och vila, vilket minskar olyckor.
3. Sömnterapi: testning av effekterna av koffein, korta tupplurar och neuromodulering (transkraniell magnetisk stimulering) på att sakta ner BOLD-skift.

Författarnas citat

”Vi har för första gången visat hur långsamma BOLD-oscillationer i talamus och cortex förutsäger insomnande”, kommenterar professor Gaez. ”Detta öppnar vägen för att utveckla objektiva ’fysiologiska ögon’ för att övervaka vakenhet.”

”Våra resultat gör det möjligt för oss att ompröva hanteringen av trötthet: det räcker inte längre att fråga: ’Hur sov du?’ – vi måste kunna ’se’ hjärnan”, tillägger medförfattaren Dr. Li Jing.

Författarna lyfter fram följande viktiga punkter:

• Neurobiologisk tillförlitlighet hos markörer
  ”Ökningen av lågfrekventa fluktuationer i BOLD-signalen i thalamus och det passiva modnätverket korrelerar tydligt med objektiva tecken på dåsighet (ögonlocksstängning, EEG-bromsning), - noterar II Gaez. - Detta bevisar att SOP kan ”ses” inte bara genom beteende, utan också direkt genom hjärnaktivitet.”

• Individuella skillnader
  ”Vi fann att personer med kronisk sömnbrist uppvisade tidigare och mer uttalade förändringar i BOLD-tempo”, säger Dr. Lee. ”Detta öppnar upp möjligheten att anpassa strategier för att bekämpa trötthet: vissa kan behöva mer frekvent 'mikrosömn', medan andra kan behöva ljusterapi eller neurostimulering.”

• Omsättning i praktiken
  ”Nästa steg är att anpassa dessa markörer till bärbara tekniker (fNCD, torra EEG-kapslar) för att övervaka vaksamhet i realtid hos förare och operatörer”, tillägger professor Martinez.

• Kliniska perspektiv
  ”De förändringar som hittats kan också hjälpa till att diagnostisera sömnstörningar: sömnlöshet, apné och narkolepsi har olika effekter på den tidiga fasen av SOP, och BOLD-markören kommer att hjälpa till att differentiera dessa tillstånd”, avslutar Dr. Singh.

Denna forskning banar väg för neuroteknik för att förebygga olyckor och skador, baserad på realtids- och individuella markörer för dåsighet, och lovar att göra vägar och industriområden säkrare.