この研究は、 科学研究者らは、ノンレム睡眠（たとえば、昼寝をしているときに経験する軽い睡眠）がどのように脳の同期を促進し、情報の暗号化を強化するかを明らかにし、この睡眠段階に新たな光を当てます。研究者らは侵襲的刺激を通じてこれらの効果を再現し、ヒトにおける将来の神経調節療法の有望な可能性を示唆した。この発見の意味は、睡眠障害の革新的な治療法、さらには認知能力や行動能力を向上させる方法への道を開く可能性があります。
この研究には、マカクザルの30分間のノンレム睡眠の前後に視覚識別課題を実行しながら、マカクザルの複数の脳領域における神経活動を調べることが含まれていました。研究者らは、多電極アレイを使用して、視覚処理と実行機能に関連する一次視覚野と中層視覚野、および背外側前頭前野の3つの脳領域にわたる数千のニューロンの活動を記録した。マカクザルがノンレム睡眠状態にあることを確認するために、研究者らは睡眠ポリグラフィーを使用してマカクザルの脳と筋肉の活動を監視するとともに、ビデオ分析を行ってマカクザルが目を閉じ、体がリラックスしていることを確認した。
この研究結果は、睡眠によって動物の視覚課題のパフォーマンスが向上し、回転した画像を区別する精度が向上したことを実証しました。重要なのは、この改善は実際に眠りに落ちたサルに特有のものであり、眠りに落ちずに静かな目覚めを経験したマカクザルでは、同じようなパフォーマンスの向上は見られませんでした。
「睡眠中に、低周波デルタ波活動の増加と、さまざまな皮質領域にわたるニューロン間の発火の同期が観察されました」と、ドラゴイ研究室の元研究員で現在ワイル・コーネル大学神経外科のレジデントである筆頭著者のナターシャ・カラス博士は述べた。 「しかし、睡眠後は、睡眠前に比べてニューロンの活動がより非同期になり、ニューロンがより独立して発火できるようになりました。この変化により、情報処理の精度と視覚タスクのパフォーマンスが向上しました。」
研究者らはまた、視覚野の低周波電気刺激を通じて、睡眠の神経への影響をシミュレートしました。彼らは、動物が起きている間にノンレム睡眠中に観察されるデルタ周波数を模倣するために 4 Hz の刺激を適用しました。この人工刺激は、睡眠後に見られる脱同期効果を再現し、同様に動物の課題遂行能力を向上させた。これは、電気刺激の特定のパターンを潜在的に睡眠の認知的利点をエミュレートするために使用できることを示唆している。
「この発見は、睡眠の回復効果やパフォーマンス向上効果の一部が、実際の睡眠を必要とせずに達成される可能性があることを示唆しているため、重要です」と、研究共著者でライス大学の電気・コンピュータ工学教授であるドラゴイ氏は述べた。ダニエル・J・ハリソン3世はヒューストン・メソジスト大学神経補綴学学長特別委員長、ワイル・コーネル大学神経科学教授。 「覚醒状態で睡眠のような神経脱同期を再現する能力は、睡眠障害のある人や宇宙探査などの酌量すべき状況など、睡眠が不可能な状況での認知および知覚パフォーマンスを向上させる新たな可能性を切り開きます。」
研究者らは、大規模なニューラル ネットワーク モデルを構築して、その結果をさらに調査しました。彼らは、睡眠中、脳内の興奮性結合と抑制性結合の両方が弱くなるが、それが非対称的に行われるため、抑制性結合が興奮性結合よりも弱くなり、それが興奮の増加を引き起こすことを発見した。
「私たちは、脳が睡眠後に採用する驚くべき解決策を発見しました。それにより、タスクに参加している神経集団は、睡眠中に同期入力を受信しているにもかかわらず、睡眠後に同期レベルが低下します」とドラゴイ氏は述べた。
ノンレム睡眠がこのように脳を効果的に「ブースト」し、このリセットを人工的に模倣できるという考えは、認知機能と記憶を改善するための治療用脳刺激技術を開発する可能性をもたらします。
「私たちの研究は、認知機能における睡眠の役割についてのメカニズムの理解を深めただけでなく、特定のパターンの脳刺激が睡眠の利点の一部を代替できることを示し、睡眠そのものとは独立して脳機能を高める可能性がある未来を示して新境地を開拓しました」 」とドラゴイは言った。
この研究は、National Eye Institute の助成金 5R01EY026156 (VD) および 5F31EY029993 (NK) によって支援されました。
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#睡眠に関する新たな洞察により認知機能に関連する重要なメカニズムが明らかに
2024-11-22 22:16:00