Människans REM-sömn Deltavågor och den suddiga skillnaden mellan NREM- och REM-sömn

Sömnen är universell, oemotståndlig och heterogen. Hos däggdjur delas sömnen traditionellt in i 1-4 stadier av icke-rapida ögonrörelser (NREM) och snabba ögonrörelser (REM), var och en med definierade mönster av hjärnaktivitet. Långsamma, synkrona deltavågor, spindlar och isolerade negativa avböjningar definierar NREM-sömnen, medan tonisk, snabb, osynkroniserad aktivitet kännetecknar REM-sömnen. Bi-stabila neuronala aktivitetsmönster med depolariserade ”on-” och hyperpolariserade ”off-” tillstånd ger upphov till deltavågor och tros göra det möjligt för NREM-sömnen att fungera vid minneskonsolidering (Battaglia et al., 2004) och synaptisk homeostas (Tononi och Cirelli, 2014). Däremot anses aktivitetsmönstren under REM-sömn göra detta stadium bättre lämpat för minnesstabilisering (Li et al., 2017) och integration (Sterpenich et al., 2014).

Nyligen framkomna bevis tyder på att beteende inte lika lätt kan separeras i hjärnomfattande tillstånd, med emblematiska neurala aktivitetsprogram och funktioner, som man tidigare trott. Istället kan ultradiana cykler av neuronal synkronisering och neuromodulering ha allmänna, hjärnomfattande influenser under vilka lokal hjärnaktivitet är heterogen och kan avvika från det globala mönstret. Till exempel har lokal aktivering under NREM-sömn (Nobili et al., 2011) och långsamvågsaktivitet (hädanefter delta-aktiviteter) i den vakna hjärnan (Vyazovskiy et al., 2011; Quercia et al., 2018), liksom i musens primära hjärnbarken under REM-sömn (Funk et al., 2016), dokumenterats; för en detaljerad genomgång av dessa ämnen se Siclari och Tononi (2017). Även om det alltså är bekvämt att dela in människans sömn i ett litet antal lätt urskiljbara stadier kan verkligheten vara betydligt mer komplex. Faktum är att flera frågor måste besvaras. Har människor, liksom möss, lokala deltavågor under REM-sömnen? Om så är fallet, har dessa vågor samma sammansättning som de vågor som observeras under NREM-sömn? Har deltavågorna samma eller olika funktioner i olika vakenhetstillstånd? Och är skillnaden mellan NREM- och REM-sömn oklar? Många av dessa frågor besvaras av nya resultat från Bernardi et al. (2019), publicerade i Journal of Neuroscience.

Med hjälp av elektroencefalografi med hög densitet försökte Bernardi et al. (2019) avgöra om människor har regionala deltavågor under REM-sömn, i likhet med de som nyligen visats hos möss (Funk et al., 2016). Faktum är att de skiljde på två grupper av deltavågor som förekommer under REM-sömn: långsammare (<2 Hz) vågor, registrerade i medial-occipitala regioner, som förekommer i både NREM- och REM-sömn, och snabbare (2,5-3 Hz), REM-sömn-exklusiva, fronto-centrala/occipito-temporala ”sågtands”-vågor. Av dessa var de medial-occipitala deltavågorna ofta isolerade, med låg amplitud och lokaliserade till de primära visuella kortiklarna när de observerades i REM-sömn. Sågtandsvågorna uppträdde i bursts, hade hög amplitud och uppträdde tillsammans med ökningar i REM-sömn. Till skillnad från de NREM-sömnliknande medial-occipitala vågorna, som var kopplade till minskad neuronal aktivitet, var sågtandsvågorna positivt korrelerade med högfrekvent gammaaktivitet och ansågs därmed vara kortiskt ”aktiverande”.

Observationen av en rytm som traditionellt setts som en komponent i NREM-sömn i specifika regioner i hjärnan under REM-sömn bygger på bevis som tyder på att sömn kan fungera lokalt, i motsats till enhetligt, hjärnans alla delar (Siclari och Tononi, 2017). Sådan lokal sömn åtföljs eller styrs förmodligen av kvasiglobala, tillståndsspecifika influenser och aktiviteter. Det vill säga, kanske NREM-sömnen, som redan anses omfatta större delen av den totala sömnperioden, inte stängs av helt och hållet under hela natten, trots att en del av dess kvaliteter periodiskt och regionalt avbryts av REM-sömnen. Alternativt kan aktiviteter som traditionellt anses definiera NREM-sömnen, t.ex. deltavågor, inte vara stadiespecifika utan istället verka lokalt under REM-sömnen, vilket gör att skillnaden mellan dessa stadier suddas ut. Oavsett detta står det klart att vakenhetstillstånd inte bör särskiljas enbart genom att man upptäcker vad som traditionellt sett har ansetts vara stadiumspecifika aktivitetsmönster. I stället är det nettospektralstyrkan i elektroencefalogrammet och perifera fysiologiska mått, t.ex. ögonrörelser eller förändringar i muskeltonus, som bör användas för att definiera och urskilja NREM- och REM-sömn.

Detekteringen av NREM-sömnliknande, medial-occipitala deltavågor under REM-sömn, tillsammans med aktiverande, sågtandade deltautbrott, kompletterar forskning som visar att vågformer som verkar inom ett definierat spektralband inte är begränsade till ett enda vakenhetstillstånd (Siclari och Tononi, 2017) och inte är helt homogena i struktur och funktion (Siclari et al, 2014). När den uppträder i REM-sömn kan medial-occipital och sågtandad deltaaktivitet utföra funktioner som liknar dem i NREM-sömnens delta, utföra en okänd funktion som är specifik för REM-sömn eller fungera mer generellt i sömnbevarande.

Under NREM-sömn är hjärnaktivitet i deltaområdet involverad i systemens minneskonsolidering (Maingret et al., 2016), synaptisk homeostas (Tononi och Cirelli, 2014) och sensorisk avkoppling (Funk et al., 2016). De medial-occipitala deltavågorna som observerades av Bernardi et al. (2019) kan ha jämförbara funktioner i REM-sömnen. Även om tonisk neuronal aktivering under REM-sömn stärker synapser (Li et al., 2017) och kan bilda associationer (Lewis et al., 2018), stör förhöjd kolinergt tonus hippocampal-neokortikal dialog och förbjuder troligen deltavågorna i detta tillstånd från att tjäna en system-konsolideringsfunktion (Gais och Born, 2004). Vidare tros delta-aktiviteter i NREM-sömn underlätta överföringen på systemnivå av minnesinformation från subkortikala områden till kortikala loci genom faslåsning av depolariserande up-states till hippocampala ripples och thalamokortikala spindlar (Maingret et al., 2016). Den relativa begränsningen av minnesreaktiveringsassocierade ripples och rippelbärande spindlar till NREM-sömn stärker uppfattningen att de deltavågor som observeras i REM-sömn inte tjänar en systemkonsolideringsfunktion. Även om en interregional dialog skulle uppstå, kan delta-aktiviteter i primära cortices (Funk et al., 2016; Bernardi et al., 2019) hindra signalspridning (Massimini et al., 2005) och utesluta integrativ konsolidering av anslutningar till regioner nedströms primära cortices, där minnen vanligtvis finns (Binder et al., 2009).

Information kodas under uppvaknandet genom förstärkning av synapser. Stärkta synapser är mer benägna att aktiveras och stärkas ytterligare, vilket gör dessa förbindelser sårbara för mättnad. Under NREM-sömn tros aktivitet i delta-spektrumet orsaka en adaptiv renormalisering av förstärkta synapser (Tononi och Cirelli, 2014). Begränsningen av toppar i deltaaktivitet under REM-sömn till kortikala regioner av lägre ordning (Bernardi et al., 2019) som vanligtvis inte är förknippade med minneslagring gör det dock osannolikt att synapshomeostas är den huvudsakliga funktionen för deltavågor i detta tillstånd. Således är systemminneskonsolidering och synapsrenormalisering sannolikt mindre framträdande funktioner hos deltavågorna i REM-sömn jämfört med dem som observeras i NREM-sömn.

Under NREM-sömn tros inhiberingen av thalamokortikala reläer och deltavågsavstängningar koppla bort hjärnan från omvärlden (Lewis et al., 2015; Siclari et al., 2018). Funk et al. (2016) har föreslagit att den aktivitet i deltaområdet som observeras i primära, men inte sekundära, sensoriska cortices under REM-sömn fungerar för att säkerställa att denna avkoppling kvarstår i REM-sömnen. De icke-aktiverande deltavågorna som finns i både människans och gnagarnas primära visuella cortices under REM-sömn kan förhindra att visuella stimuli och aktiverande vågformer framkallar överdriven upphetsning och övergångar i beteendetillstånd. Sådana aktiverande vågformer kan inkludera sågtand (Bernardi et al., 2019) och ponto-geniculo-occipitala (PGO) vågor (Stuart och Conduit, 2009), som diskuteras nedan. På detta sätt kan medial-occipitala deltavågor säkerställa att minnen som reaktiveras, förstärks, försvagas eller integreras under REM-sömn inte är snedvridna eller kontaminerade av den yttre miljön, vilket skulle inträffa om mikroarousals eller uppvaknanden var frekventa.

Vividuella, uppslukande, fenomenologiska upplevelser är ett kännetecken för REM-sömn hos människor. Drömmarnas rikedom är delvis beroende av tonisk kortikal aktivering, detta framgår av observationen att återkommande off-states i NREM-sömnen minskar den medvetna upplevelsen (Siclari et al., 2018) och orsakar drömmarnas korthet. Hur kan då drömbilderna vara så levande under REM-sömnen om deltavågor finns i de primära visuella kortiklarna? Drömmar är ofta lokaliserade till högre ordningens multimodala områden i hjärnbarken och förekommer samtidigt låg-deltakraft i dessa regioner (Siclari et al., 2017), även om lägre ordningens visuella områden också har involverats. De aktiverande PGO-vågorna som observerats hos icke-mänskliga arter är ett föreslaget hjärnsubstrat för drömbilder (Stuart och Conduit, 2009). De sågtandade deltautbrott som beskrivs av Bernardi et al. (2019) sägs likna, och kanske vara ett mänskligt korrelat till, PGO-vågor. Därför kan dessa deltavågor vara direkt kopplade till en av de mest definierande egenskaperna hos mänsklig REM-sömn, drömmar.

Då Bernardi et al. (2019) påvisar lokal deltaaktivitet under REM-sömn hos människor, har de gett nya bevis mot föreställningen om globalt homogena sömnstadier, med stadie-diskreta aktiviteter. Dessa fynd bidrar till en växande mängd litteratur som visar att sömnen till stor del är lokal och att relevanta aktiviteter, såsom deltavågor, ofta inte är så monolitiska i struktur och funktion eller så specifika för ett enda, hjärnomfattande tillstånd som man tidigare trodde. Dessa upptäckter markerar ett spännande ögonblick för sömnvetenskapen och inleder framtida forskning som undersöker skillnaderna mellan och överlappningen av NREM- och REM-sömn, liksom REM-sömnens deltaböljors roll.