Kako mozak „sugerira“ umor: dinamika fMRI tijekom uspavljivanja

Studija tima profesora II Gaeza sa Sveučilišta Južne Kalifornije (USC), objavljena u iScienceu, pokazuje nove objektivne neuroimaginške markere koji mogu otkriti početak pospanosti u ranoj fazi - prije nego što osoba potpuno zaspi.

Zadatak i relevantnost

Mikrosan i trenutni gubitak pažnje dovode do stotina prometnih nesreća i ozljeda na radu. Do sada je bilo teško predvidjeti točno vrijeme "uspavljivanja" pomoću subjektivnih upitnika ili elektroencefalograma. U ovoj studiji istraživači su ispitivali je li moguće otkriti početak razdoblja početka spavanja (SOP) promjenama u BOLD signalu u funkcionalnoj magnetskoj rezonanciji.

Zašto je ovo važno?

• Rana dijagnoza umora. Identifikacija preciznih neuromapa pomaže u razvoju metoda za praćenje vozača i operatera, sprječavajući nesreće uzrokovane mikro-sna.
• Istraživanje spavanja. Dinamika sporih BOLD oscilacija može postati objektivni biomarker početka SOP-a, nadopunjujući psihološke i elektrofiziološke testove.
• Neuromodulacija: Ciljanje talamusa ili mreža pažnje neurostimulacijom moglo bi produžiti budnost u kritičnim situacijama bez farmakologije.

„Prvi put smo pokazali da prijelaz u pospanost prate jasne, reproducibilne promjene u sporim fluktuacijama BOLD signala“, komentira II Gaez. „To otvara put objektivnom praćenju umora na temelju neuroimaginga.“

Eksperimentalni dizajn

1. Kvorum volontera: 20 zdravih sudionika (10 m/10 ž, u dobi od 22 do 35 godina) bez poremećaja spavanja.
2. Spavanje u MRI skeneru: Ispitanici su ležali zatvorenih očiju i bilo im je dopušteno da slobodno zaspu uz zvuk pozadine (80 dB) na skeneru.
   • EEG (vlastite elektrode u skeneru),
   • EOM (amplituda pokreta oka),
   • Kamera za nadzor očnih kapaka.
3. Definicija SOP-a: kombinacijom poluzatvorenih kapaka, usporavanja EEG ritmova i, po prvi put, promjenama BOLD parametara.

Detaljna analiza BOLD signala

• Niskofrekventne fluktuacije (0,03–0,07 Hz): u ranim fazama SOP-a, amplituda tih oscilacija povećala se za 30–50% u
  • talamus (koordinacija budnosti),
  • okcipitalni korteks (vizualna obrada),
  • čvorovi mreže zadanog načina rada (DMN): medijalni prefrontalni korteks i PCC.
• Funkcionalna povezanost:
  • Talamus ↔ prefrontalni korteks: povećan za 20%, što ukazuje na povećani "prijenos" signala spavanja u korteks.
  • Mreža pažnje (DAN): Veze između parijetalnog i frontalnog režnja smanjene su za 15%, što odražava slabljenje vanjske orijentacije.

Korelacija s umorom

• Individualne razlike: Sudionici s manje 24-satnog sna (<6 h) pokazali su raniji i izraženiji porast niskofrekventnih oscilacija.
• Podaci o ponašanju: Prvi znakovi mikro-sna (odgođeni odgovor na jednostavan vizualni zadatak na MRI) podudarali su se s vršnom amplitudom talamus-DMN BOLD osi.

Moguće primjene

1. Praćenje vozača i operatera: prijenos fMRI nalaza na prijenosne fMRI ili EEG uređaje za rano upozoravanje na umor.
2. Personalizirani rasporedi rada: uzimajući u obzir individualni "prag" SOP-a pri planiranju smjena i odmora, smanjujući broj nezgoda.
3. Terapija spavanjem: testiranje učinaka kofeina, kratkih drijemanja i neuromodulacije (transkranijalne magnetske stimulacije) na usporavanje BOLD promjena.

Citati autora

„Prvi put smo pokazali kako spore BOLD oscilacije u talamusu i korteksu predviđaju početak sna“, komentira prof. Gaez. „To otvara put razvoju objektivnih 'fizioloških očiju' za praćenje budnosti.“

„Naši nalazi nam omogućuju da preispitamo upravljanje umorom: više nije dovoljno pitati: 'Kako ste spavali?' – moramo biti u stanju 'vidjeti' mozak“, dodaje suautor dr. Li Jing.

Autori ističu sljedeće ključne točke:

• Neurobiološka pouzdanost markera
  „Povećanje niskofrekventnih fluktuacija BOLD signala u talamusu i pasivnoj mreži jasno korelira s objektivnim znakovima pospanosti (zatvaranje kapaka, usporavanje EEG-a), - napominje II Gaez. - To dokazuje da se SOP može „vidjeti“ ne samo ponašanjem, već i izravno aktivnošću mozga.“

• Individualne razlike
  „Otkrili smo da ljudi s kroničnim nedostatkom sna pokazuju ranije i izraženije promjene u BOLD-u“, kaže dr. Lee. „To otvara mogućnost personalizacije strategija borbe protiv umora: nekima će možda trebati češći 'mikrosan', dok će drugima možda trebati svjetlosna terapija ili neurostimulacija.“

• Primjena u praksi
  „Sljedeći korak je prilagoditi ove markere prijenosnim tehnologijama (fNCD, suhe EEG kapsule) kako bi se u stvarnom vremenu pratila budnost vozača i operatera“, dodaje prof. Martinez.

• Kliničke perspektive
  „Pronađene promjene mogu pomoći i u dijagnosticiranju poremećaja spavanja: nesanica, apneja i narkolepsija imaju različite učinke na ranu fazu SOP-a, a BOLD marker će pomoći u razlikovanju ovih stanja“, zaključuje dr. Singh.

Ovo istraživanje otvara put neurotehnologijama za sprječavanje nesreća i ozljeda temeljenim na markerima pojave pospanosti u stvarnom vremenu i individualnim markerima te obećava veću sigurnost cesta i industrijskih lokacija.