Як мозок «підказує» про втому: динаміка фМРТ під час засинання

Дослідження команди професора II Гаеза з Університету Південної Каліфорнії (USC), опубліковане в iScience, демонструє нові об'єктивні нейровізуалізаційні маркери, які можуть виявляти початок сонливості на ранній стадії — до того, як людина повністю засне.

Завдання та актуальність

Мікросон та короткочасна втрата уваги призводять до сотень дорожньо-транспортних пригод та виробничих травм. Досі було важко передбачити точний час «засинання» за допомогою суб'єктивних анкет або електроенцефалограми. У цьому дослідженні вчені вивчали, чи можна виявити початок періоду початку сну (SOP) за змінами сигналу BOLD на функціональній МРТ.

Чому це важливо?

• Рання діагностика втоми. Визначення точних нейрокарт допомагає розробляти методи моніторингу водіїв та операторів, запобігаючи аваріям, спричиненим мікросном.
• Дослідження сну. Динаміка повільних коливань BOLD може стати об'єктивним біомаркером початку сну, доповнюючи психологічні та електрофізіологічні тести.
• Нейромодуляція: вплив на таламус або мережі уваги за допомогою нейростимуляції може подовжити неспання в критичних ситуаціях без фармакології.

«Ми вперше показали, що перехід до сонливості супроводжується чіткими, відтворюваними змінами повільних коливань сигналу BOLD», – коментує II Gaez. «Це відкриває шлях до об’єктивного моніторингу втоми на основі нейровізуалізації».

Експериментальний дизайн

1. Кворум волонтерів: 20 здорових учасників (10 чоловіків/10 жінок, віком 22–35 років) без розладів сну.
2. Сон у МРТ-сканері: суб'єкти лежали із заплющеними очима та могли вільно заснути, поки сканер відтворював фоновий шум (80 дБ).
   • ЕЕГ (власні електроди в сканері),
   • Амплітуда руху очей (EOM),
   • Камера спостереження за повіками.
3. Визначення СОП: за поєднанням напівзаплющених повік, уповільнення ритмів ЕЕГ та, вперше, змін параметрів BOLD.

Детальний аналіз сигналу BOLD

• Низькочастотні коливання (0,03–0,07 Гц): на ранніх стадіях СОП амплітуда цих коливань збільшувалася на 30–50% у
  • таламус (координація неспання),
  • потилична кора (обробка візуальних образів),
  • вузли мережі режиму за замовчуванням (DMN): медіальна префронтальна кора та PCC.
• Функціональна зв'язність:
  • Таламус ↔ префронтальна кора: збільшення на 20%, що вказує на посилену «трансляцію» сигналів сну до кори.
  • Мережа уваги (DAN): Зв'язки між тім'яною та лобовою частками зменшилися на 15%, що відображає ослаблення зовнішньої орієнтації.

Кореляція з втомою

• Індивідуальні відмінності: Учасники з меншою тривалістю 24-годинного сну (<6 год) демонстрували раніше та більш виражене збільшення низькочастотних коливань.
• Поведінкові дані: Перші ознаки мікросну (затримка реакції на просте візуальне завдання на МРТ) збігалися з піковою амплітудою осі таламус–DMN BOLD.

Можливі застосування

1. Моніторинг водія та оператора: передача результатів фМРТ на портативні пристрої фМРТ або ЕЕГ для раннього попередження про втому.
2. Персоналізовані графіки роботи: врахування індивідуального «порогу» стандартних операційних процедур (СОП) під час планування змін та відпочинку, зменшення кількості нещасних випадків.
3. Терапія сну: тестування впливу кофеїну, короткого сну та нейромодуляції (транскраніальної магнітної стимуляції) на уповільнення змін BOLD.

Цитати авторів

«Ми вперше показали, як повільні коливання BOLD у таламусі та корі головного мозку прогнозують початок сну», – коментує професор Гаез. «Це відкриває шлях до розробки об’єктивних «фізіологічних очей» для контролю пильності».

«Наші результати дозволяють нам переосмислити управління втомою: вже недостатньо просто запитати: «Як ви спали?» – нам потрібно мати можливість «бачити» мозок», – додає співавтор дослідження доктор Лі Цзін.

Автори виділяють такі ключові моменти:

• Нейробіологічна надійність маркерів
  «Збільшення низькочастотних коливань сигналу BOLD у таламусі та мережі пасивного режиму чітко корелює з об'єктивними ознаками сонливості (закриття повік, уповільнення ЕЕГ), – зазначає І. І. Гаез. – Це доводить, що СОП можна «побачити» не лише за поведінкою, а й безпосередньо за активністю мозку».

• Індивідуальні відмінності
  «Ми виявили, що у людей із хронічним недосипанням спостерігалися більш ранні та виражені зміни BOLD», — каже доктор Лі. «Це відкриває можливість персоналізації стратегій боротьби з втомою: деяким може знадобитися частіший «мікросон», тоді як іншим може знадобитися світлотерапія або нейростимуляція».

• Втілення на практиці
  «Наступним кроком є адаптація цих маркерів до портативних технологій (фНКД, сухі ЕЕГ-капсули) для моніторингу пильності в режимі реального часу у водіїв та операторів», – додає професор Мартінес.

• Клінічні перспективи
  «Виявлені зміни також можуть допомогти в діагностиці розладів сну: безсоння, апное та нарколепсія по-різному впливають на ранню фазу сну, а маркер BOLD допоможе диференціювати ці стани», – підсумовує доктор Сінгх.

Це дослідження прокладає шлях для нейротехнологій запобігання нещасним випадкам і травмам, заснованих на маркерах початку сонливості в режимі реального часу та індивідуальних маркерах, і обіцяє зробити дороги та промислові об'єкти безпечнішими.