Kako možgani "nakazujejo" utrujenost: dinamika fMRI med zaspanjem

Študija ekipe profesorja II. Gaeza na Univerzi v Južni Kaliforniji (USC), objavljena v iScience, prikazuje nove objektivne nevrološke slikovne označevalce, ki lahko zaznajo začetek zaspanosti v zgodnji fazi – preden oseba popolnoma zaspi.

Naloga in ustreznost

Mikrospanec in trenutna izguba pozornosti vodita do stotin prometnih nesreč in poškodb pri delu. Do sedaj je bilo težko napovedati natančen čas "zaspanja" z uporabo subjektivnih vprašalnikov ali elektroencefalograma. V tej študiji so raziskovalci preučevali, ali je mogoče zaznati začetek obdobja začetka spanja (SOP) s spremembami signala BOLD pri funkcionalni magnetni resonanci.

Zakaj je to pomembno?

• Zgodnja diagnoza utrujenosti. Identifikacija natančnih nevroloških zemljevidov pomaga pri razvoju metod za spremljanje voznikov in upravljavcev ter preprečevanje nesreč zaradi mikrospanja.
• Raziskave spanja. Dinamika počasnih nihanj BOLD lahko postane objektivni biomarker nastopa SOP, ki dopolnjuje psihološke in elektrofiziološke teste.
• Nevromodulacija: Ciljanje talamusa ali omrežij pozornosti z nevrostimulacijo bi lahko podaljšalo budnost v kritičnih situacijah brez farmakologije.

»Prvič smo pokazali, da prehod v zaspanost spremljajo jasni, ponovljivi premiki v počasnih nihanjih signala BOLD,« komentira II Gaez. »To odpira pot objektivnemu spremljanju utrujenosti na podlagi nevrološkega slikanja.«

Eksperimentalna zasnova

1. Kvorum prostovoljcev: 20 zdravih udeležencev (10 m/10 ž, starih 22–35 let) brez motenj spanja.
2. Spanje v MRI-urejalnik: Preiskovanci so ležali z zaprtimi očmi in so lahko prosto zaspali, medtem ko je skener predvajal hrup v ozadju (80 dB).
   • EEG (lastne elektrode v skenerju),
   • EOM (amplituda gibanja oči),
   • Nadzorna kamera za veke.
3. Definicija SOP: s kombinacijo napol zaprtih vek, upočasnitve EEG ritmov in prvič s spremembami parametrov BOLD.

Podrobna analiza signala BOLD

• Nizkofrekvenčna nihanja (0,03–0,07 Hz): v zgodnjih fazah SOP se je amplituda teh nihanj povečala za 30–50 % v
  • talamus (usklajevanje budnosti),
  • okcipitalna skorja (vizualna obdelava),
  • vozlišča privzetega načina omrežja (DMN): medialni prefrontalni korteks in PCC.
• Funkcionalna povezljivost:
  • Talamus ↔ prefrontalni korteks: povečan za 20 %, kar kaže na povečan »prevod« signalov spanja v korteks.
  • Mreža pozornosti (DAN): Povezave med parietalnim in frontalnim režnjem so se zmanjšale za 15 %, kar odraža oslabitev zunanje orientacije.

Korelacija z utrujenostjo

• Individualne razlike: Udeleženci z manj 24-urnim spanjem (<6 ur) so pokazali zgodnejše in izrazitejše povečanje nizkofrekvenčnih nihanj.
• Vedenjski podatki: Prvi znaki mikrospanja (zapoznel odziv na preprosto vizualno nalogo na MRI) so sovpadali z največjo amplitudo osi talamus–DMN BOLD.

Možne aplikacije

1. Spremljanje voznika in upravljavca: prenos ugotovitev fMRI na prenosne naprave fMRI ali EEG za zgodnje opozarjanje na utrujenost.
2. Prilagojeni delovni urniki: upoštevanje individualnega »praga« SOP pri načrtovanju izmen in počitkov, zmanjšanje števila nesreč.
3. Terapija spanja: testiranje učinkov kofeina, kratkih dremežev in nevromodulacije (transkranialne magnetne stimulacije) na upočasnitev premikov BOLD.

Citati avtorjev

»Prvič smo pokazali, kako počasne BOLD oscilacije v talamusu in korteksu napovedujejo začetek spanja,« komentira prof. Gaez. »To odpira pot razvoju objektivnih 'fizioloških oči' za spremljanje budnosti.«

»Naše ugotovitve nam omogočajo, da ponovno razmislimo o obvladovanju utrujenosti: ni več dovolj vprašati: 'Kako ste spali?' – moramo biti sposobni 'videti' možgane,« dodaja soavtor dr. Li Jing.

Avtorji poudarjajo naslednje ključne točke:

• Nevrobiološka zanesljivost označevalcev
  »Povečanje nizkofrekvenčnih nihanj BOLD signala v talamusu in pasivnem omrežju jasno korelira z objektivnimi znaki zaspanosti (zapiranje vek, upočasnitev EEG),« ugotavlja II Gaez. »To dokazuje, da je SOP mogoče »videti« ne le po vedenju, temveč tudi neposredno po možganski aktivnosti.«

• Individualne razlike
  »Ugotovili smo, da so ljudje s kroničnim pomanjkanjem spanca pokazali zgodnejše in bolj izrazite premike BOLD,« pravi dr. Lee. »To odpira možnost personalizacije strategij za boj proti utrujenosti: nekateri morda potrebujejo pogostejši 'mikro spanec', drugi pa svetlobno terapijo ali nevrostimulacijo.«

• Prenos v prakso
  »Naslednji korak je prilagoditev teh označevalcev prenosnim tehnologijam (fNCD, suhe EEG kapsule) za spremljanje budnosti v realnem času pri voznikih in upravljavcih,« dodaja prof. Martinez.

• Klinične perspektive
  »Ugotovljene spremembe lahko pomagajo tudi pri diagnosticiranju motenj spanja: nespečnost, apneja in narkolepsija imajo različne učinke na zgodnjo fazo SOP, marker BOLD pa bo pomagal razlikovati ta stanja,« zaključuje dr. Singh.

Ta raziskava utira pot nevrotehnologijam za preprečevanje nesreč in poškodb, ki temeljijo na označevalcih nastopa zaspanosti v realnem času in individualnih označevalcih, ter obljublja večjo varnost na cestah in industrijskih območjih.