Hvordan hjernen "antyder" træthed: fMRI-dynamik under indsøvn

En undersøgelse foretaget af professor II Gaez' team ved University of Southern California (USC), offentliggjort i iScience, demonstrerer nye objektive neuroimaging-markører, der kan opdage døsighed på et tidligt stadie - før en person er helt i søvn.

Opgave og relevans

Mikrosøvn og kortvarigt tab af opmærksomhed fører til hundredvis af trafikulykker og arbejdsskader. Indtil nu har det været vanskeligt at forudsige det nøjagtige tidspunkt for "indsovning" ved hjælp af subjektive spørgeskemaer eller et elektroencefalogram. I dette studie undersøgte forskerne, om det er muligt at detektere begyndelsen af søvnperioden (SOP) ved ændringer i BOLD-signalet i funktionel MR-scanning.

Hvorfor er dette vigtigt?

• Tidlig diagnose af træthed. Identifikation af præcise neurokort hjælper med at udvikle metoder til overvågning af chauffører og operatører og dermed forebygge ulykker på grund af mikrosøvn.
• Søvnforskning. Dynamikken i langsomme BOLD-oscillationer kan blive en objektiv biomarkør for SOP-debut, der supplerer psykologiske og elektrofysiologiske tests.
• Neuromodulation: Målretning af thalamus eller opmærksomhedsnetværk med neurostimulation kan forlænge vågenhed i kritiske situationer uden farmakologi.

"Vi har for første gang vist, at overgangen til døsighed ledsages af klare, reproducerbare ændringer i langsomme fluktuationer i BOLD-signalet," kommenterer II Gaez. "Dette baner vejen for objektiv overvågning af træthed baseret på neuroimaging."

Eksperimentelt design

1. Kvorum af frivillige: 20 raske deltagere (10 m/10 k, i alderen 22-35 år) uden søvnforstyrrelser.
2. Søvn i MR-scanneren: Forsøgspersonerne lå med lukkede øjne og fik lov til at falde i søvn frit, mens scanneren afspillede baggrundsstøj (80 dB).
   • EEG (egne elektroder i scanneren),
   • EOM (øjenbevægelsesamplitude),
   • Øjenlågsovervågningskamera.
3. Definition af SOP: ved kombinationen af halvt lukkede øjenlåg, opbremsning af EEG-rytmer og, for første gang, ved ændringer i BOLD-parametre.

Detaljeret analyse af BOLD-signalet

• Lavfrekvente fluktuationer (0,03-0,07 Hz): i de tidlige stadier af SOP steg amplituden af disse svingninger med 30-50% i
  • thalamus (koordination af vågenhed),
  • occipital cortex (visuel bearbejdning),
  • knudepunkter i standardtilstandsnetværket (DMN): medial præfrontal cortex og PCC.
• Funktionel tilslutning:
  • Thalamus ↔ præfrontal cortex: øget med 20%, hvilket indikerer øget "oversættelse" af søvnsignaler til cortex.
  • Opmærksomhedsnetværk (DAN): Forbindelserne mellem parietal- og frontallappen blev reduceret med 15%, hvilket afspejler en svækkelse af den eksterne orientering.

Korrelation med træthed

• Individuelle forskelle: Deltagere med mindre 24-timers søvn (<6 timer) viste en tidligere og mere udtalt stigning i lavfrekvente oscillationer.
• Adfærdsdata: De første tegn på mikrosøvn (forsinket respons på en simpel visuel opgave i MR) faldt sammen med peak-amplituden af thalamus-DMN BOLD-aksen.

Mulige anvendelser

1. Overvågning af fører og operatør: overførsel af fMRI-fund til bærbare fMRI- eller EEG-enheder til tidlig varsling af træthed.
2. Personlige arbejdsplaner: tager hensyn til den individuelle SOP-"tærskel" ved planlægning af vagter og hvile, hvilket reducerer ulykker.
3. Søvnterapi: test af virkningerne af koffein, korte lure og neuromodulation (transkraniel magnetisk stimulering) på langsommere BOLD-skift.

Forfattercitater

"Vi har for første gang vist, hvordan langsomme BOLD-svingninger i thalamus og cortex forudsiger søvnbegyndelse," kommenterer professor Gaez. "Dette baner vejen for at udvikle objektive 'fysiologiske øjne' til at overvåge årvågenhed."

"Vores resultater giver os mulighed for at gentænke håndtering af træthed: Det er ikke længere nok at spørge: 'Hvordan sov du?' – vi er nødt til at kunne 'se' hjernen," tilføjer medforfatter Dr. Li Jing.

Forfatterne fremhæver følgende hovedpunkter:

• Neurobiologisk pålidelighed af markører
  "Stigningen i lavfrekvente fluktuationer i BOLD-signalet i thalamus og det passive mode-netværk korrelerer tydeligt med objektive tegn på døsighed (lukning af øjenlåg, EEG-afmatning), - bemærker II Gaez. - Dette beviser, at SOP ikke kun kan "ses" ved adfærd, men også direkte ved hjerneaktivitet."

• Individuelle forskelle
  "Vi fandt ud af, at personer med kronisk søvnmangel viste tidligere og mere udtalte BOLD-skift," siger Dr. Lee. "Dette åbner op for muligheden for at personliggøre strategier til at bekæmpe træthed: nogle kan have brug for hyppigere 'mikrosøvn', mens andre kan have brug for lysterapi eller neurostimulation."

• " Det
  næste skridt er at tilpasse disse markører til bærbare teknologier (fNCD, tørre EEG-kapsler) for at overvåge årvågenhed i realtid hos chauffører og operatører," tilføjer professor Martinez.

• Kliniske perspektiver
  "De fundne ændringer kan også hjælpe med at diagnosticere søvnforstyrrelser: søvnløshed, apnø og narkolepsi har forskellige effekter på den tidlige fase af SOP, og BOLD-markøren vil hjælpe med at differentiere disse tilstande," konkluderer Dr. Singh.

Denne forskning baner vejen for neuroteknologier til forebyggelse af ulykker og skader baseret på realtids- og individuelle markører for døsighedsdebut og lover at gøre veje og industriområder mere sikre.