למרות שידוע היטב ששינה משפרת את הביצועים הקוגניטיביים, המנגנונים העצביים הבסיסיים, במיוחד אלה הקשורים לשינה לא מהירה של תנועת עיניים (NREM), נותרו ברובם בלתי נחקרים. מחקר חדש שנערך על ידי צוות חוקרים מאוניברסיטת רייס והמרכז לשיקום מערכות עצביות של יוסטון ו-Wil Cornell Medical College, מתואם על ידי ולנטין דראגוי של רייס, בכל זאת חשף מנגנון מפתח שבאמצעותו שינה משפרת את הביצועים הנוירונים וההתנהגותיים, ובכך עשוי לשנות את היסוד שלנו. הבנה כיצד שינה מגבירה את כוח המוח.
המחקר, שפורסם ב מַדָעמגלה כיצד שינה NREM -; השינה הקלה יותר שחווים בעת תנומה, למשל -; מטפח סנכרון מוחי ומשפר את קידוד המידע, שופך אור חדש על שלב השינה הזה. החוקרים שיחזרו את ההשפעות הללו באמצעות גירוי פולשני, והציעו אפשרויות מבטיחות לטיפולי נוירומודולציה עתידיים בבני אדם. ההשלכות של גילוי זה עשויות לסלול את הדרך לטיפולים חדשניים להפרעות שינה ואף לשיטות לשיפור הביצועים הקוגניטיביים וההתנהגותיים.
החקירה כללה בדיקה של הפעילות העצבית במספר אזורי מוח במקוקים בזמן שהחיות ביצעו משימת הבחנה חזותית לפני ואחרי פרק זמן של 30 דקות של שנת NREM. באמצעות מערכים מרובי אלקטרודות, החוקרים תיעדו את פעילותם של אלפי נוירונים על פני שלושה אזורי מוח: קליפת הראייה הראשונית והבינונית וקליפת המוח הקדם-מצחית הגבי, הקשורים לעיבוד חזותי ותפקודים ביצועיים. כדי לאשר שהמקאקים היו בשנת NREM, החוקרים השתמשו בפוליסומנוגרפיה כדי לנטר את פעילות המוח והשרירים שלהם לצד ניתוח וידאו כדי להבטיח שעיניהם עצומות וגופם רגוע.
הממצאים הראו ששינה שיפרה את ביצועי החיות במשימה החזותית עם דיוק משופר בהבחנה בין תמונות מסובבות. חשוב לציין, שיפור זה היה ייחודי לאלה שבאמת נרדמו -; המקוקים שחוו ערות שקטה מבלי להירדם לא הראו את אותה שיפור ביצועים.
"במהלך השינה, ראינו עלייה בפעילות גלי דלתא בתדר נמוך ובירי מסונכרן בין נוירונים על פני אזורים שונים בקליפת המוח", אמרה המחברת הראשונה ד"ר נטשה חראס, חוקרת לשעבר במעבדה של דראגוי ותושבת כיום בכירורגיה נוירולוגית בוויל קורנל. "אחרי השינה, לעומת זאת, הפעילות הנוירונית הפכה לא מסונכרנת יותר בהשוואה לפני השינה, מה שמאפשר לנוירונים לירות באופן עצמאי יותר. שינוי זה הוביל לשיפור הדיוק בעיבוד המידע ובביצועים במשימות החזותיות".
החוקרים גם דימו את ההשפעות העצביות של שינה באמצעות גירוי חשמלי בתדר נמוך של קליפת הראייה. הם הפעילו גירוי 4-Hz כדי לחקות את תדר הדלתא שנצפה במהלך שנת NREM בזמן שהחיות היו ערות. הגירוי המלאכותי הזה שיחזר את אפקט הדה-סינכרון שנראה לאחר שינה ובאופן דומה שיפר את ביצועי המשימות של בעלי החיים, מה שמרמז על כך שניתן להשתמש בדפוסים ספציפיים של גירוי חשמלי כדי לחקות את היתרונות הקוגניטיביים של שינה.
"ממצא זה משמעותי מכיוון שהוא מצביע על כך שחלק מההשפעות המשקמות ומשפרות הביצועים של שינה עשויות להיות מושגות ללא צורך בשינה ממשית", אמר דראגוי, מחבר שותף למחקר, פרופסור להנדסת חשמל ומחשבים ב-Rice, the Rosemary ודניאל ג'יי האריסון השלישי יו"ר מכובד לנוירופרוסתטיקה בשיטת יוסטון ופרופסור למדעי המוח בווייל קורנל. "היכולת לשחזר דה-סינכרון עצבי דמוי שינה במצב ער פותחת אפשרויות חדשות לשיפור ביצועים קוגניטיביים ותפיסתיים במצבים בהם שינה אינה אפשרית – כגון עבור אנשים עם הפרעות שינה או בנסיבות מקלות כגון חקר החלל."
החוקרים חקרו עוד יותר את ממצאיהם על ידי בניית מודל רשת עצבית גדול. הם מצאו שבמהלך השינה, גם הקשרים המעוררים וגם המעכבים במוח הופכים חלשים יותר, אך הם עושים זאת בצורה א-סימטרית, מה שהופך את הקשרים המעכבים לחלשים יותר מהקשרים המעוררים, מה שגורם לעלייה בגירוי.
"גילינו פתרון מפתיע שהמוח משתמש בו לאחר השינה, לפיו אוכלוסיות עצביות המשתתפות במשימה מפחיתות את רמת הסינכרון שלהן לאחר השינה למרות קבלת תשומות סנכרון במהלך השינה עצמה", אמר דראגוי.
הרעיון ששינת NREM ביעילות "מגבירה" את המוח בדרך זו, ושניתן לחקות את האיפוס הזה באופן מלאכותי, מציע פוטנציאל לפיתוח טכניקות גירוי מוחי טיפוליות לשיפור התפקוד הקוגניטיבי והזיכרון.
המחקר שלנו לא רק מעמיק את ההבנה המכניסטית שלנו לגבי תפקידה של השינה בתפקוד הקוגניטיבי, אלא גם פורץ דרך בכך שהוא מראה שדפוסים ספציפיים של גירוי מוחי יכולים להחליף כמה יתרונות של שינה, ומצביעים על עתיד שבו נוכל להגביר את תפקוד המוח ללא תלות בשינה עצמה. "
ולנטין דראגוי, אוניברסיטת רייס
מחקר זה נתמך על ידי מענקי מכון העין הלאומי 5R01EY026156 (VD) ו-5F31EY029993 (NK).
