Az emberi REM alvás deltahullámai és az NREM és REM alvás közötti elmosódó különbség

Az alvás univerzális, ellenállhatatlan és heterogén. Az emlősöknél az alvást hagyományosan nem gyors szemmozgású (NREM) 1-4 és gyors szemmozgású (REM) szakaszokra osztják, amelyek mindegyike az agyi aktivitás meghatározott mintáival rendelkezik. Konkrétan a lassú, szinkron deltahullámok, orsók és izolált negatív eltérések határozzák meg az NREM alvást, míg a tónusos, gyors, nem szinkronizált aktivitás a REM alvást jellemzi. A depolarizált “on-” és hiperpolarizált “off-” állapotokkal rendelkező, bi-stabil neuronális aktivitási mintázatok deltahullámokat eredményeznek, és feltehetően lehetővé teszik a NREM alvás működését a memória konszolidációban (Battaglia és mtsai., 2004) és a szinaptikus homeosztázisban (Tononi és Cirelli, 2014). Ezzel szemben a REM alvás alatti aktivitási mintázatokról úgy gondolják, hogy ez a szakasz jobban alkalmas a memória stabilizálására (Li et al., 2017) és integrálására (Sterpenich et al., 2014).

A legújabb bizonyítékok arra utalnak, hogy a viselkedés nem választható olyan könnyen szét az egész agyra kiterjedő állapotokra, emblematikus neurális aktivitási programokkal és funkciókkal, mint korábban hitték. Ehelyett a neuronális szinkronizáció és a neuromoduláció ultradián ciklusai általános, egész agyra kiterjedő hatásokkal rendelkezhetnek, amelyek során a helyi agyi aktivitás heterogén és eltérhet a globális mintától. Dokumentálták például az NREM alvás alatti helyi aktivációt (Nobili et al., 2011) és a lassú hullámú aktivitást (a továbbiakban delta-tartománybeli aktivitások) az éber agyban (Vyazovskiy et al., 2011; Quercia et al., 2018), valamint az egér elsődleges agykérgében a REM alvás alatt (Funk et al., 2016); e témák részletes áttekintését lásd Siclari and Tononi (2017). Így, bár kényelmes az emberi alvást kevés, könnyen megkülönböztethető szakaszra osztani, a valóság ennél sokkal összetettebb lehet. Valójában számos kérdéssel kell foglalkozni. Vannak-e az embereknek az egerekhez hasonlóan helyi deltahullámaik a REM-alvás során? Ha igen, akkor ezek a hullámok összetételükben megegyeznek-e a NREM alvás során megfigyeltekkel? A delta-hullámok azonos vagy eltérő funkciókat töltenek be az egyes ébredési állapotokban? És elmosódik-e a különbség az NREM és a REM alvás között? E kérdések közül számos kérdésre választ adnak Bernardi és munkatársai (2019) legújabb eredményei, amelyek a Journal of Neuroscience című folyóiratban jelentek meg.

A nagy sűrűségű elektroenkefalográfia segítségével Bernardi és munkatársai (2019) azt próbálták meghatározni, hogy az embereknek vannak-e regionális deltahullámaik a REM alvás során, hasonlóan az egereknél nemrégiben kimutatottakhoz (Funk és munkatársai, 2016). Valóban megkülönböztették a REM-alvás során előforduló delta-hullámok két csoportját: a medial-occipitális régiókban rögzített lassabb (<2 Hz) hullámokat, amelyek mind az NREM-, mind a REM-alvásban jelen vannak, és a gyorsabb (2,5-3 Hz), REM-alvásra kizárólagos, fronto-centrális/occipito-temporális “fűrészfog” hullámokat. Ezek közül a medial-occipitális deltahullámok gyakran izoláltak, alacsony amplitúdójúak voltak, és a primer vizuális agykérgekre lokalizálódtak, amikor REM-alvásban figyelték meg őket. A fűrészfog-hullámok burstokban jelentek meg, nagy amplitúdójúak voltak, és REM-ben a növekedés mellett fordultak elő. A NREM-alváshoz hasonló medial-occipitális hullámokkal ellentétben, amelyek a neuronális aktivitás csökkenéséhez kapcsolódtak, a fűrészfog-hullámok pozitívan korreláltak a nagyfrekvenciás gamma-aktivitással, és így agykérgi “aktiválónak” tekinthetők.

A hagyományosan a NREM-alvás összetevőjének tekintett ritmus megfigyelése az agy bizonyos régióiban a REM-alvás során olyan bizonyítékokra épül, amelyek arra utalnak, hogy az alvás helyi, nem pedig egységes, az egész agyra kiterjedő módon működhet (Siclari és Tononi, 2017). Az ilyen helyi alvást feltehetően kvázi globális, állapot-specifikus hatások és tevékenységek kísérik vagy irányítják. Vagyis talán az NREM alvás, amely már úgy tekinthető, hogy a teljes alvási időszak nagy részét teszi ki, nem kapcsol ki teljesen az éjszaka folyamán, annak ellenére, hogy egyes tulajdonságait a REM alvás időszakosan és regionálisan megszakítja. Alternatívaként a hagyományosan az NREM alvást meghatározónak tekintett tevékenységek, mint például a delta-hullámok, talán nem szakaszspecifikusak, hanem helyileg a REM alvás alatt működnek, és így elmosódnak a szakaszok közötti különbségek. Ettől függetlenül egyértelmű, hogy az ébredési állapotokat nem szabad kizárólag a hagyományosan szakaszdiszkrétnek tekintett aktivitásminták észlelése alapján megkülönböztetni. Ehelyett az elektroenkefalogram nettó spektrális teljesítménye és a perifériás fiziológiai mérések, például a szemmozgás vagy az izomtónus változásai azok a mérőszámok, amelyeket az NREM és a REM alvás meghatározásakor és megkülönböztetésekor használni kellene.

A NREM-alváshoz hasonló, medial-occipitális deltahullámok észlelése a REM-alvás során, az aktiváló, fűrészfogas deltaburstok mellett, kiegészíti azokat a kutatásokat, amelyek arra utalnak, hogy a meghatározott spektrális sávban működő hullámformák nem korlátozódnak egyetlen ébredési állapotra (Siclari és Tononi, 2017), és nem teljesen homogének a szerkezet és a funkció tekintetében (Siclari et al, 2014). Amikor REM-alvásban fordul elő, a medial-occipitális és a fűrészfog delta-aktivitás az NREM-alvás delta-aktivitásához hasonló funkciókat végezhet, ismeretlen, a REM-alvásra specifikus funkciót hajt végre, vagy általánosabban működik az alvás megőrzésében.

A NREM-alvás során a delta-tartományban lévő agyi aktivitás a rendszerek memória-konszolidációjában (Maingret et al., 2016), a szinaptikus homeosztázisban (Tononi és Cirelli, 2014) és az érzékszervi szétkapcsolásban (Funk et al., 2016) játszik szerepet. A Bernardi és munkatársai (2019) által megfigyelt medial-occipitális delta hullámok hasonló funkciókat tölthetnek be a REM alvásban. Bár a tónusos idegi aktiváció a REM-alvás során megerősíti a szinapszisokat (Li et al., 2017) és asszociációkat képezhet (Lewis et al., 2018), az emelkedett kolinerg tónus megzavarja a hippokampusz-neokortikális párbeszédet, és valószínűleg megtiltja, hogy a delta-hullámok ebben az állapotban rendszer-konszolidációs funkciót szolgáljanak (Gais és Born, 2004). Továbbá, a delta-tartománybeli tevékenységek az NREM alvásban feltehetően megkönnyítik a memóriainformációk rendszerszintű átvitelét a szubkortikális területekről a kortikális lokalizációkba a hippokampális hullámok és a thalamocorticalis spindlik fázishoz való depolarizáló felfelé irányuló állapotok fázishelyzetbe kapcsolásával (Maingret et al., 2016). A memória-reaktivációval kapcsolatos hullámok és a hullámokat hordozó orsók NREM alváshoz való viszonylagos korlátozottsága megerősíti azt az elképzelést, hogy a REM alvásban megfigyelt delta hullámok nem a rendszer-konszolidációs funkciót szolgálják. Még ha interregionális párbeszéd is történne, a delta-tartományú aktivitások az elsődleges agykérgekben (Funk et al., 2016; Bernardi et al., 2019) akadályozhatják a jelek terjedését (Massimini et al., 2005) és kizárhatják a kapcsolatok integratív konszolidációját az elsődleges agykérgektől lefelé eső régiókba, ahol az emlékek jellemzően találhatóak (Binder et al., 2009).

Az információk kódolása ébrenlét alatt a szinapszisok megerősödésével történik. A megerősödött szinapszisok nagyobb valószínűséggel aktiválódnak és erősödnek tovább, így ezek a kapcsolatok sérülékenyek a telítődéssel szemben. Az NREM alvás során a delta spektrumú aktivitás feltehetően a megerősödött szinapszisok adaptív renormalizációját okozza (Tononi és Cirelli, 2014). Azonban a delta-aktivitás csúcsértékeinek a REM-alvás során az alacsonyabb rendű agykérgi régiókra való korlátozása (Bernardi et al., 2019), amelyek jellemzően nem kapcsolódnak a memóriatároláshoz, valószínűtlenné teszi, hogy a szinapszis homeosztázis a delta-hullámok fő funkciója ebben az állapotban. Így a rendszerek memóriakonszolidációja és a szinapszisok renormalizálása valószínűleg kevésbé kiemelkedő funkciói a deltahullámoknak a REM-alvásban, mint az NREM-alvásban megfigyeltek.

A NREM-alvás során a thalamocorticalis relék gátlása és a deltahullám off-állapotok feltételezhetően elválasztják az agyat a külvilágtól (Lewis et al., 2015; Siclari et al., 2018). Funk és munkatársai (2016) azt javasolták, hogy a REM-alvás során az elsődleges, de nem a másodlagos szenzoros agykérgekben megfigyelt delta-tartományú aktivitás úgy működik, hogy ez a szétkapcsolás a REM-alvásban is fennmarad. A nem aktiváló delta hullámok, amelyek mind az emberi, mind a rágcsálók elsődleges vizuális kérgében jelen vannak a REM alvás során, megakadályozhatják, hogy a vizuális ingerek és az aktiváló hullámformák túlzott ébredést és viselkedési állapotátmeneteket idézzenek elő. Ilyen aktiváló hullámformák lehetnek a fűrészfog (Bernardi et al., 2019) és a ponto-geniculo-occipitális (PGO) hullámok (Stuart és Conduit, 2009), amelyeket az alábbiakban tárgyalunk. Ily módon a medial-occipitális delta-hullámok biztosíthatják, hogy a REM-alvás során reaktivált, megerősített, meggyengített vagy integrált emlékeket ne torzítsa vagy szennyezze a külső környezet, ahogyan az a mikro-arousalok vagy ébredések gyakorisága esetén történne.

Az élénk, magával ragadó, fenomenológiai élmények az emberek REM-alvásának egyik jellemzője. Az álmok gazdagsága részben a tónusos agykérgi aktivációra támaszkodik, ezt bizonyítja az a megfigyelés, hogy a NREM alvásban visszatérő off-állapotok csökkentik a tudatos élményt (Siclari et al., 2018) és az álmok rövidségét okozzák. Hogyan lehet akkor az álomképek olyan élénkek a REM alvás során, ha a delta hullámok jelen vannak az elsődleges vizuális agykérgekben? Az álmok gyakran az agykéreg magasabb rendű multimodális területeire lokalizálódnak, és ezekben a régiókban egyidejűleg alacsony delta teljesítmény fordul elő (Siclari et al., 2017), bár alacsonyabb rendű vizuális területeket is érintettek. A nem emberi fajokban megfigyelt aktiváló PGO-hullámok az álomképek javasolt agyi szubsztrátja (Stuart és Conduit, 2009). A Bernardi et al. (2019) által leírt fűrészfogas delta burstok állítólag hasonlítanak a PGO-hullámokhoz, és talán a PGO-hullámok emberi korrelátuma. Ezért ezek a deltahullámok közvetlenül kapcsolódhatnak az emberi REM-alvás egyik legmeghatározóbb jellemzőjéhez, az álmokhoz.

Azzal, hogy Bernardi és munkatársai (2019) kimutatták a helyi delta-aktivitást az emberi REM-alvás során, új bizonyítékot szolgáltattak a globálisan homogén alvási szakaszok elképzelése ellen, szakaszonként elkülönülő tevékenységekkel. Ezek az eredmények hozzájárulnak az egyre növekvő irodalomhoz, amely azt jelzi, hogy az alvás nagyrészt lokális, és hogy a releváns tevékenységek, például a delta-hullámok, gyakran nem olyan monolitikusak szerkezetükben és működésükben, vagy nem olyan specifikusak egyetlen, az egész agyra kiterjedő állapotra, mint korábban hitték. Ezek a felfedezések izgalmas pillanatot jelentenek az alvástudomány számára, és olyan jövőbeli kutatásokat vetítenek előre, amelyek tovább vizsgálják az NREM és a REM alvás közötti különbségeket és átfedéseket, valamint a REM alvás deltahullámainak szerepét.