Ihmisen REM-unen delta-aallot ja NREM- ja REM-unen välisen eron hämärtyminen

Nukkuminen on universaalia, vastustamatonta ja heterogeenistä. Nisäkkäillä uni on perinteisesti jaettu ei-nopean silmänliikkeen (NREM) 1-4 ja nopean silmänliikkeen (REM) vaiheisiin, joilla kummallakin on määritellyt aivotoiminnan mallit. Erityisesti hitaat, synkroniset delta-aallot, spindelit ja yksittäiset negatiiviset poikkeamat määrittelevät NREM-unen, kun taas tooninen, nopea, synkronoimaton aktiivisuus on tyypillistä REM-unelle. Kaksivakaat neuronaaliset aktiivisuusmallit, joissa on depolarisoituneita ”on-” ja hyperpolarisoituneita ”off-” tiloja, synnyttävät delta-aaltoja, ja niiden ajatellaan mahdollistavan NREM-unen toiminnan muistin konsolidoinnissa (Battaglia et al., 2004) ja synaptisessa homeostaasissa (Tononi ja Cirelli, 2014). Sitä vastoin REM-unen aikaisten aktiivisuusmallien ajatellaan tekevän tästä vaiheesta paremmin sopivan muistin vakauttamiseen (Li et al., 2017) ja integrointiin (Sterpenich et al., 2014).

Uudemmat todisteet viittaavat siihen, että käyttäytyminen ei ole niin helposti erotettavissa aivojen laajuisiin tiloihin, joissa on vertauskuvallisia neuraalisia aktiivisuusohjelmia ja -toimintoja, kuten aiemmin uskottiin. Sen sijaan neuronaalisen synkronoinnin ja neuromodulaation ultradiaanisilla sykleillä voi olla yleisiä, aivojen laajuisia vaikutuksia, joiden aikana paikallinen aivotoiminta on heterogeeninen ja voi poiketa globaalista mallista. Esimerkiksi paikallinen aktivoituminen NREM-unen aikana (Nobili et ai., 2011) ja hidasaaltojen aktiivisuus (jäljempänä delta-alueen aktiviteetit) hereillä olevissa aivoissa (Vyazovskiy et ai., 2011; Quercia et ai., 2018) sekä hiiren primaarisissa aivokuoreissa REM-unen aikana (Funk et ai., 2016) on dokumentoitu; yksityiskohtainen katsaus näihin aiheisiin on esitetty osoitteessa Siclari ja Tononi (2017). Näin ollen, vaikka on kätevää jakaa ihmisen uni pieneen määrään helposti erottuvia vaiheita, todellisuus voi olla paljon monimutkaisempi. Useita kysymyksiä on todellakin käsiteltävä. Onko ihmisillä, kuten hiirillä, paikallisia delta-aaltoja REM-unen aikana? Jos on, ovatko nämä aallot koostumukseltaan samanlaisia kuin NREM-unen aikana havaitut aallot? Onko delta-aalloilla samat vai erilaiset tehtävät eri herätystiloissa? Onko NREM- ja REM-unen välinen ero hämärtymässä? Moniin näistä kysymyksistä vastaavat Bernardin ym. (2019) tuoreet havainnot, jotka on julkaistu Journal of Neuroscience -lehdessä.

Käyttämällä suuritiheyksistä elektroenkefalografiaa Bernardi ym. (2019) pyrkivät selvittämään, esiintyykö ihmisillä REM-unen aikana alueellisia delta-aaltoja, jotka ovat samankaltaisia kuin hiljattain hiirillä osoitetut aallot (Funk ym., 2016). He erittelivätkin REM-unen aikana esiintyvien delta-aaltojen kaksi ryhmää: hitaammat (< 2 Hz) aallot, jotka on tallennettu medial-occipital-alueilla ja jotka ovat läsnä sekä NREM- että REM-unessa, ja nopeammat (2,5-3 Hz), REM-unen eksklusiiviset, fronto-centraaliset /occipito-temporaaliset ”sahahammas” aallot. Näistä mediaaliset ja takaraivon delta-aallot olivat usein eristettyjä, amplitudiltaan matalia ja paikallistettuja primäärisiin näköaivokuoreen, kun niitä havaittiin REM-unessa. Sahalaita-aallot esiintyivät purskeina, olivat suuren amplitudin omaavia ja esiintyivät REM-unessa nousujen rinnalla. Toisin kuin NREM-unen kaltaiset medial-occipital-aallot, jotka liittyivät neuronaalisen aktiivisuuden vähenemiseen, sahalaita-aallot korreloivat positiivisesti korkeataajuisen gamma-aktiivisuuden kanssa, ja niiden katsottiin siten olevan kortikaalisesti ”aktivoivia”.

Perinteisesti NREM-unen komponenttina pidetyn rytmin havaitseminen tietyillä aivoalueilla REM-unen aikana perustuu todisteisiin, jotka viittaavat siihen, että uni voi toimia paikallisesti eikä yhtenäisesti aivojen laajuisesti koko aivojen laajuisena toimintana (Siclari ja Tononi, 2017). Tällaiseen paikalliseen uneen liittyy tai sitä ohjaavat oletettavasti lähes globaalit, tilakohtaiset vaikutteet ja toiminnot. Toisin sanoen ehkä NREM-uni, jonka katsotaan jo muodostavan suurimman osan koko unijaksosta, ei sammu kokonaan koko yön aikana, vaikka REM-uni keskeyttää joitakin sen ominaisuuksia ajoittain ja alueellisesti. Vaihtoehtoisesti NREM-unelle perinteisesti ominaisina pidetyt toiminnot, kuten delta-aallot, eivät ehkä ole vaihekohtaisia, vaan ne toimivat paikallisesti REM-unen aikana, mikä hämärtää näiden vaiheiden välistä eroa. Tästä huolimatta on selvää, että herätystiloja ei pitäisi erottaa toisistaan pelkästään havaitsemalla sellaisia toimintamalleja, joita on perinteisesti pidetty vaihekohtaisina toimintamalleina. Sen sijaan sähköenkefalogrammien nettospektrinen teho ja perifeeriset fysiologiset mittaukset, kuten silmien liikkeet tai lihasjänteyden muutokset, ovat mittareita, joita pitäisi käyttää NREM- ja REM-unen määrittelyssä ja erottelussa.

NREM-unen kaltaisten, mediaalisen takaraivon delta-aaltojen havaitseminen REM-unen aikana aktivoivien, sahalaitaisten delta-purkausten rinnalla täydentää tutkimuksia, jotka osoittavat, että määritellyllä spektrikaistalla toimivat aaltomuodot eivät rajoitu vain yhteen herätystilaan (Siclari ja Tononi, 2017) eivätkä ole rakenteeltaan ja toiminnaltaan täysin homogeenisia (Siclari et al, 2014). REM-unessa esiintyessään medial-occipital- ja sawtooth-delta-aktiivisuus saattaa suorittaa NREM-unen delta-aktiivisuuden kaltaisia toimintoja, suorittaa tuntematonta REM-unelle spesifistä funktiota tai toimia yleisemmin unen säilyttämisessä.

NREM-unen aikana delta-alueen aivoaktiviteetti on mukana järjestelmien muistin konsolidoinnissa (Maingret ym., 2016), synaptisessa homeostaasissa (Tononi ja Cirelli, 2014) ja aistien irrotuksessa (Funk ym., 2016). Bernardin ym. (2019) havaitsemat medial-occipital delta-aallot saattavat palvella vastaavia tehtäviä REM-unessa. Vaikka tooninen hermoaktivaatio REM-unen aikana vahvistaa synapseja (Li et ai., 2017) ja saattaa muodostaa assosiaatioita (Lewis et ai., 2018), kohonnut kolinerginen sävy häiritsee hippokampus-neokortikaalista vuoropuhelua ja todennäköisesti estää delta-aaltoja tässä tilassa palvelemasta systeemikonsolidaatiofunktiota (Gais ja Born, 2004). Lisäksi NREM-unen delta-alueen aktiviteettien uskotaan helpottavan järjestelmätason muistitiedon siirtoa subkortikaalisilta alueilta kortikaalisiin lokuksiin vaiheistamalla depolarisoivat ylöspäin suuntautuvat tilat hippokampuksen aaltoihin ja talamokortikaalisiin spindeleihin (Maingret et ai., 2016). Muistireaktivaatioon liittyvien rippeleiden ja rippeliä kuljettavien spindeleiden suhteellinen rajoittuminen NREM-uniin vahvistaa käsitystä siitä, että REM-unessa havaitut delta-aallot eivät palvele systeemikonsolidaatiofunktiota. Vaikka alueiden välistä vuoropuhelua tapahtuisi, delta-alueen aktiviteetit primaarisissa aivokuoreissa (Funk et al., 2016; Bernardi et al., 2019) voivat estää signaalin etenemisen (Massimini et al., 2005) ja estää yhteyksien integratiivisen konsolidoinnin primaarisista aivokuoreista alempana oleville alueille, joissa muistot tyypillisesti sijaitsevat (Binder et al., 2009).

Informaatio koodataan heräämisen aikana vahvistamalla synapseja. Vahvistuneet synapsit aktivoituvat todennäköisemmin ja vahvistuvat edelleen, jolloin nämä yhteydet ovat alttiita kyllästymiselle. NREM-unen aikana delta-spektrin aktiivisuuden ajatellaan aiheuttavan vahvistuneiden synapsien adaptiivisen renormalisoinnin (Tononi ja Cirelli, 2014). Kuitenkin delta-aktiivisuuden huippujen rajoittuminen REM-unen aikana alemman asteen kortikaalialueille (Bernardi et ai., 2019), jotka eivät tyypillisesti liity muistin varastointiin, tekee epätodennäköiseksi, että synapsien homeostaasi olisi delta-aaltojen pääasiallinen tehtävä tässä tilassa. Siten järjestelmien muistin konsolidointi ja synapsien normalisointi ovat todennäköisesti vähemmän merkittäviä delta-aaltojen toimintoja REM-unessa verrattuna NREM-unessa havaittuihin toimintoihin.

NREM-unen aikana talamokortikaalisten releiden eston ja delta-aaltojen off-tilojen ajatellaan katkaisevan aivojen yhteyden ulkomaailmaan (Lewis et al., 2015; Siclari et al., 2018). Funk et al. (2016) ovat ehdottaneet, että primäärisissä, mutta ei sekundäärisissä aistikorteksissa REM-unen aikana havaittu delta-alueen aktiivisuus toimii varmistaakseen, että tämä yhteyden katkaisu säilyy REM-unessa. Sekä ihmisen että jyrsijöiden primaarisissa näköaivokuorissa REM-unen aikana esiintyvät ei-aktivoivat delta-aallot saattavat estää visuaalisia ärsykkeitä ja aktivoivia aaltomuotoja herättämästä liiallista kiihtymystä ja käyttäytymistilan siirtymiä. Tällaisia aktivoivia aaltomuotoja voisivat olla sahahammas (Bernardi et ai., 2019) ja ponto-geniculo-occipital (PGO) -aallot (Stuart ja Conduit, 2009), joita käsitellään jäljempänä. Tällä tavoin medial-occipital delta-aallot voivat varmistaa, että REM-unen aikana uudelleen aktivoituvat, vahvistuvat, heikentyvät tai integroituvat muistot eivät ole puolueellisia tai ulkoisen ympäristön saastuttamia, kuten tapahtuisi, jos mikro-arousalit tai heräämiset olisivat yleisiä.

Elävät, immersiiviset, fenomenologiset kokemukset ovat REM-unen tunnusmerkki ihmisillä. Unien rikkaus perustuu osittain tooniseen kortikaaliseen aktivoitumiseen, tästä on osoituksena havainto, että NREM-unen toistuvat off-tilat vähentävät tietoista kokemusta (Siclari et al., 2018) ja aiheuttavat unien lyhyyttä. Miten sitten unikuvat ovat niin eläviä REM-unen aikana, jos delta-aallot ovat läsnä primaarisissa visuaalisissa aivokuoreissa? Unet paikallistetaan usein aivokuoren korkeamman asteen multimodaalisille alueille, ja niillä esiintyy samanaikaisesti matalaa delta-tehoa näillä alueilla (Siclari et ai., 2017), vaikka myös alemman asteen visuaaliset alueet ovat olleet mukana. Ei-inhimillisillä lajeilla havaitut aktivoivat PGO-aallot ovat ehdotettu aivojen substraatti unikuville (Stuart ja Conduit, 2009). Bernardin ym. (2019) kuvaamien sahalaitaisten delta-purkausten sanotaan muistuttavan PGO-aaltoja ja olevan ehkä niiden ihmisen korrelaatti. Siksi nämä delta-aallot voivat olla suoraan yhteydessä yhteen ihmisen REM-unen määrittelevimmistä ominaisuuksista, uniin.

Osoittaessaan paikallista delta-aktiivisuutta REM-unen aikana ihmisillä Bernardi ym. (2019) ovat antaneet uutta näyttöä globaalisti homogeenisten univaiheiden käsitystä vastaan, jossa on vaiheittain erillistä toimintaa. Nämä havainnot myötävaikuttavat kasvavaan kirjallisuuteen, joka osoittaa, että uni on suurelta osin paikallista ja että asiaankuuluvat toiminnot, kuten delta-aallot, eivät useinkaan ole rakenteeltaan ja toiminnaltaan niin monoliittisia tai niin spesifisiä yhdelle ainoalle, aivojen laajuiselle tilalle kuin aiemmin uskottiin. Nämä löydöt merkitsevät jännittävää hetkeä unitieteelle ja pohjustavat tulevaa tutkimusta, jossa tutkitaan tarkemmin NREM- ja REM-unen välisiä eroja ja päällekkäisyyksiä sekä REM-unen delta-aaltojen roolia.