Forskere modellerer unihemisfærisk søvn hos mennesker

Nogle dyr, såsom fugle, delfiner, og hvaler, kan deltage i unihemisfærisk søvn, hvor den ene hjernehalvdel sover, mens den anden halvkugle forbliver vågen. Ved at holde sig halvvågen kan dyr bogstaveligt talt "holde øje med" for rovdyr, og for trækfugle, giver mulighed for uafbrudt flyvning i dage eller endda uger efter hinanden.

Selvom det ikke er kendt, at unihemisfærisk søvn forekommer hos mennesker, nyere forskning har fundet ud af, at mennesker udviser en lignende sovende stil, når de oplever problematisk søvn på et nyt sted for første gang, kaldet "den første nat -effekt". Denne effekt involverer asymmetrisk dynamik mellem de to halvkugler:mens den højre halvkugle deltager i normal langsom bølgesøvn, venstre halvkugle oplever en lavere søvn, tyder på, at det kan forblive delvist opmærksom.

Nu i en ny undersøgelse, forskere har yderligere undersøgt de underliggende mekanismer for denne søvnaktivitet for at udvikle en model for unihemisfærisk søvn i den menneskelige hjerne. Papiret, af Lukas Ramlow et al., udkommer i en nylig udgave af EPL .

"Vores forskning har vist, at spontan dynamisk symmetribrud på de to hjernehalvkugler også er mulig for mennesker, "medforfatter Eckehard Schöll, professor i teoretisk fysik ved Technische Universität Berlin, fortalt Phys.org . "Da forskellige søvnstadier er forbundet med forskellige grader af synkronisering, Jeg tror, ​​at en svag form for unihemisfærisk søvn, dvs. forskellig søvndybde på de to halvkugler, kan godt forekomme hos mennesker, ikke kun hos hvaler, delfiner, sæler, og trækfugle. "

I den menneskelige hjerne, søvn- og vågentilstandene kan kendetegnes ved deres forskellige former for elektrisk aktivitet. Når den er vågen, neuroner i hjernen brænder i en asynkron, lidt kaotisk mode, der henviser til, at neuroner i den sovende hjerne affyrer på en mere synkroniseret måde.

Tidligere forskning har antydet, at de to hjernehalvdele i hjernen kan ses som to koblede populationer af oscillatorer, da begge halvkugler genererer elektriske signaler på en koordineret måde. Fra dette perspektiv, unihemisfærisk søvn opstår, når hjernen indtager en tilstand af to sameksisterende domæner, bestående af en synkroniseret (sovende) halvkugle og en usammenhængende (vågen) halvkugle. I fysikken, denne form for stat, som er kendetegnet ved sameksistens af orden og uorden, kaldes en "kimærstat".

Ved hjælp af MR -data fra 20 mennesker på 90 forskellige hjernesteder, forskerne undersøgte, hvordan hjernen overgår fra usammenhængenhed (vågen) til synkronisering (i søvn). Som de forklarer, koblingen inden for hver enkelt halvkugle (intra-hemisfærisk kobling) er stærkere end den mellem de to halvkugler (inter-hemisfærisk kobling). Ved at reducere den interhemisfæriske koblingsstyrke, mens den intra-hemisfæriske koblingsstyrke holdes fast i deres model, forskerne observerede, at den ene halvkugle udviste mere synkroniseret aktivitet end den anden, ligner unihemisfærisk søvn og kimærtilstanden.

"Tidligere er det blevet spekuleret i, at 'kimærstater' kan forekomme i naturen i form af unihemisfærisk søvn (som er kendt for visse dyr), men der blev ikke givet nogen realistisk modellering, "Schöll sagde." Betydningen af ​​vores arbejde er, at vi for første gang har vist ved at modellere dynamikken i de to hjernehalvkugler ved hjælp af empiriske menneskelige hjerneforbindelser, som delvis synkronisering ligner unihemispheric søvn faktisk kan forekomme. I øvrigt, vi har identificeret denne mekanisme, der er afhængig af forskellige styrker ved den intra-hemisfæriske (stærke) og inter-hemisfæriske (svage) kobling. "

Resultaterne understøtter ideen om, at unihemisfærisk søvn kræver en vis grad af adskillelse mellem de to halvkugler. Forskerne fandt ud af, at denne adskillelse kan forekomme på grund af hjernens strukturelle asymmetri. Det er velkendt, for eksempel, at de to halvkugler har forskellige størrelser af tilsvarende hjerneområder og forskellige neurontætheder inden for disse regioner.

Baseret på deres model, forskerne fandt ud af, at selv en lille strukturel asymmetri resulterer i en dynamisk asymmetri, hvor den ene halvkugle udviser mere synkroniserede affyringsmønstre end den anden, som i en kimærstilstand. Så generelt set den strukturelle asymmetri i hjernen kan forklare de bagvedliggende mekanismer for unihemisfærisk søvn og den relaterede første-nat-effekt, men mange spørgsmål er ubesvarede.

"I fremtidig forskning planlægger vi at undersøge tilstanden af ​​unihemisfærisk søvn mere grundigt i vores model (som bruger dynamik om empiriske strukturelle forbindelser mellem menneskelige hjerner), med hensyn til følgende spørgsmål, "Sagde Schöll." Hvilke områder af hjernehalvkuglerne er synkroniseret, som ikke er? Kan vi identificere en slags relæ i hjernen, som formidler synkronisering mellem forskellige områder af hjernen? Hvordan er sådan relæ -synkronisering relateret til hukommelse, eller at lære, eller til opfattelse? Også, vi undersøger, hvordan epileptiske anfald, som er forbundet med spontan stærk synkronisering af hjernen, kan startes og afsluttes. "

© 2019 Science X Network