Når vi er i en dyb søvn, ebner hjernens aktivitet ud og strømmer i store, åbenlyse bølger, som at se et tidevand af menneskekroppe rejse sig op og sætte sig ned omkring et sportsstadion. Det er svært at gå glip af.
Ny forskning med aber finder ud af, at de samme cyklusser eksisterer i kølvandet som i søvn, men med kun små sektioner, der sidder og står samlet i stedet for hele stadionet. Det er som om små dele af hjernen uafhængigt af hinanden falder i søvn og vågner op igen hele tiden.
Hvad mere er, ser det ud til, at når neuronerne er cyklet ind i den mere aktive eller "tændte" tilstand, er de bedre til at reagere på verden. Neuroner bruger også mere tid i tilstanden, når de er opmærksomme på en opgave. Dette fund antyder, at processer, der regulerer hjernens aktivitet i søvn, også kan spille en rolle i opmærksomheden.
"Selektiv opmærksomhed svarer til at gøre små dele af din hjerne lidt mere vågen," siger Tatiana Engel, en postdoktor ved Stanford University og medforfatter af forskningen, som vises i Videnskab. Den tidligere kandidatstuderende Nicholas Steinmetz var den anden medforfatter, der udførte neurofysiologiske eksperimenter i laboratoriet til Tirin Moore, professor i neurobiologi og en af de seniorforfattere.
Pins og neuroner
At forstå disse nyopdagede cyklusser kræver at vide lidt om, hvordan hjernen er organiseret. Hvis du skulle stikke en nål direkte i hjernen, ville alle hjerneceller, du ramte, svare på de samme typer ting. I en kolonne svarer de muligvis alle på objekter i en bestemt del af synsfeltet - for eksempel øverst til højre.
Holdet brugte hvad der svarer til sæt af meget følsomme ben, der kan registrere aktivitet fra en kolonne af neuroner i hjernen. Tidligere havde folk vidst, at individuelle neuroner gennemgår faser af at være mere eller mindre aktive, men med denne sonde så de for første gang, at alle neuroner i en given søjle cyklede sammen mellem at skyde meget hurtigt og derefter skyde på en meget langsommere hastighed, svarende til koordinerede cyklusser i søvn.
"Under en tilstand begynder neuronerne at skyde hurtigt," siger Kwabena Boahen, professor i bioteknologi og elektroteknik og seniorforfatter af papiret. ”Derefter skifter de pludselig bare til en lav affyringsrate. Dette tænd / sluk-skifte sker hele tiden, som om neuronerne vender en mønt for at afgøre, om de skal være til eller fra. ”
Disse cyklusser, der forekommer i størrelsesordenen sekunder eller brøkdele af sekunder, var ikke så synlige, når de var vågen, fordi bølgen ikke spreder sig meget ud over den kolonne, i modsætning til i søvn, når bølgen spredes over næsten hele hjernen og er let opdage.
Vær opmærksom
Holdet fandt ud af, at de højere og lavere aktivitetstilstande vedrører evnen til at reagere på verden. Gruppen havde deres sonde i et område af hjernen hos aber, der specifikt registrerer en del af den visuelle verden. Aberne var blevet trænet til at være opmærksomme på et signal, der indikerer, at noget i en bestemt del af synsfeltet - øverst til højre, siger eller nederst til venstre - var ved at ændre sig lidt. Aberne fik derefter en godbid, hvis de korrekt identificerede, at de havde set den ændring.
Da holdet gav et signal om, hvor en ændring kunne forekomme, begyndte neuronerne i søjlen, der fornemmer at en del af verden alle brugte mere tid i den aktive tilstand. I det væsentlige fortsatte de alle med at vende mellem stater i fællesskab, men de brugte mere tid i den aktive tilstand, hvis de var opmærksomme. Hvis stimulusændringen kom, når cellerne var i en mere aktiv tilstand, var aben også mere tilbøjelige til korrekt at identificere ændringen.
”Apen er meget god til at opdage stimulusændringer, når neuroner i denne søjle er i tændt tilstand, men ikke i slukket tilstand,” siger Engel. Selv når aben vidste at være opmærksom på et bestemt område, gik aben ofte glip af stimulusændring, hvis neuronerne cyklede til en lavere aktivitetstilstand.
Engel sagde, at dette fund er noget, der kan være kendt for mange mennesker. Nogle gange tror du, du er opmærksom, påpegede hun, men du vil stadig gå glip af tingene.
Forskerne sagde, at resultaterne også vedrører tidligere arbejde, der viste, at mere opmærksomme dyr og mennesker har tendens til at have elever, der er mere udvidede. I det nuværende arbejde, da hjernecellerne brugte mere tid i en aktiv tilstand, var abens pupiller også mere udvidede. Resultaterne viser en interaktion mellem synkron svingninger i hjernen, opmærksomhed på en opgave og eksterne tegn på årvågenhed.
”Det ser ud til, at de mekanismer, der ligger til grund for opmærksomhed og ophidselse, er meget indbyrdes afhængige,” siger Moore.
Sparer dette energi?
Et spørgsmål, der kommer ud af dette arbejde, er, hvorfor neuroner cykler ind i en lavere aktivitetstilstand, når vi er vågen. Hvorfor ikke bare forblive i den mere aktive tilstand hele tiden, hvis det er, når sabeltandtigeren angriber?
Et svar kunne vedrøre energi. "Der er en metabolisk omkostning forbundet med neuroner, der affyrer hele tiden," siger Boahen. Hjernen bruger meget energi, og måske giver cellerne en chance for at gøre det energiske svar på at sidde ned, så hjernen kan spare energi.
Når neuroner er meget aktive, genererer de også cellulære biprodukter, der kan beskadige cellerne. Engel påpegede, at stater med lav aktivitet kunne give tid til at rydde dette neuronale affald.
”Dette papir foreslår steder at se efter disse svar,” siger Engel.
Om forfatterne
Yderligere medforfattere inkluderer kolleger fra Newcastle University. Finansieringen kom fra NIH, Stanford NeuroVentures, HHMI, MRC og Wellcome Trust.
Kilde: Stanford University
Relaterede Bøger:
at InnerSelf Market og Amazon
