Kuidas aju väsimust "soovitab": fMRI dünaamika uinumise ajal

Lõuna-California Ülikooli (USC) professor II Gaezi meeskonna uuring, mis avaldati ajakirjas iScience, demonstreerib uusi objektiivseid neurokuvamismarkereid, mis suudavad tuvastada unisuse tekkimist varajases staadiumis – enne, kui inimene on täielikult magama jäänud.

Ülesanne ja asjakohasus

Mikrouni ja hetkeline tähelepanukaotus põhjustavad sadu liiklusõnnetusi ja tööõnnetusi. Seni on olnud raske ennustada täpset "uinumise" aega subjektiivsete küsimustike või elektroentsefalogrammi abil. Käesolevas uuringus uurisid teadlased, kas funktsionaalse magnetresonantstomograafia (MRI) BOLD-signaali muutuste abil on võimalik tuvastada une algusperioodi (SOP) algust.

Miks see oluline on?

• Väsimuse varajane diagnoosimine. Täpsete neurokaartide tuvastamine aitab välja töötada meetodeid juhtide ja operaatorite jälgimiseks, ennetades mikroune tõttu õnnetusi.
• Uneuuringud. Aeglaste BOLD-võnkumiste dünaamika võib saada SOP-i alguse objektiivseks biomarkeriks, täiendades psühholoogilisi ja elektrofüsioloogilisi teste.
• Neuromodulatsioon: talamuse või tähelepanu võrgustike sihtimine neurostimulatsiooniga võib kriitilistes olukordades ärkvelolekut pikendada ilma farmakoloogiata.

„Oleme esmakordselt näidanud, et unisuse tekkimisele üleminekuga kaasnevad selged ja reprodutseeritavad nihked BOLD-signaali aeglastes kõikumistes,“ kommenteerib II Gaez. „See avab tee väsimuse objektiivseks jälgimiseks neurokuvamise abil.“

Eksperimentaalne disain

1. Vabatahtlike kvoorum: 20 tervet osalejat (10 m/10 naist, vanuses 22–35 aastat) ilma unehäireteta.
2. Magnetresonantstomograafia skanneris magamine: Katsealused lamasid silmad kinni ja neil lasti vabalt uinuda, samal ajal kui skanner mängis taustamüra (80 dB).
   • EEG (skanneris olevad elektroodid),
   • EOM (silma liikumise amplituud),
   • Silmalaugude jälgimiskaamera.
3. SOP-i definitsioon: pooleldi suletud silmalaugude, EEG-rütmide aeglustumise ja esmakordselt BOLD-parameetrite muutuste kombinatsiooni abil.

BOLD-signaali üksikasjalik analüüs

• Madala sagedusega kõikumised (0,03–0,07 Hz): SOP-i algstaadiumis suurenes nende võnkumiste amplituud 30–50% võrra
  • talamus (ärkveloleku koordinatsioon),
  • kuklaluukorteks (visuaalne töötlemine),
  • Vaikimisi režiimivõrgu (DMN) sõlmed: mediaalne prefrontaalne korteks ja PCC.
• Funktsionaalne ühenduvus:
  • Talamus ↔ prefrontaalne ajukoor: suurenenud 20%, mis näitab unesignaalide suurenenud "tõlkimist" ajukoorde.
  • Tähelepanuvõrgustik (DAN): Parietaal- ja otsmikusagarate vahelised ühendused vähenesid 15%, mis peegeldab välise orientatsiooni nõrgenemist.

Seos väsimusega

• Individuaalsed erinevused: Osalejatel, kellel oli vähem 24-tunnist und (<6 h), ilmnes madala sagedusega võnkumiste varasem ja selgem suurenemine.
• Käitumisandmed: esimesed mikroune tunnused (viivitatud reaktsioon lihtsale visuaalsele ülesandele MRI-s) langesid kokku talamuse-DMN BOLD-telje maksimaalse amplituudiga.

Võimalikud rakendused

1. Juhi ja operaatori jälgimine: fMRI leidude edastamine kaasaskantavatesse fMRI või EEG seadmetesse väsimuse varajaseks hoiatamiseks.
2. Isikupärastatud töögraafikud: vahetuste ja puhkeaja planeerimisel arvestatakse individuaalse SOP-i „lävendit“, vähendades õnnetusi.
3. Uneteraapia: kofeiini, lühikeste uinakute ja neuromodulatsiooni (transkraniaalse magnetstimulatsiooni) mõju testimine BOLD-i nihete aeglustumisele.

Autorite tsitaadid

„Oleme esmakordselt näidanud, kuidas aeglased BOLD-võnkumised talamuses ja ajukoores ennustavad une algust,“ kommenteerib professor Gaez. „See avab tee objektiivsete „füsioloogiliste silmade“ arendamiseks erksuse jälgimiseks.“

„Meie tulemused võimaldavad meil väsimuse ohjamist ümber mõelda: enam ei piisa küsimusest „Kuidas te magasite?“ – me peame suutma aju „näha“,“ lisab kaasautor dr Li Jing.

Autorid toovad esile järgmised põhipunktid:

• Markerite neurobioloogiline usaldusväärsus
  „BOLD-signaali madalsageduslike kõikumiste suurenemine talamuses ja passiivse režiimi võrgustikus korreleerub selgelt unisuse objektiivsete tunnustega (silmalaugude sulgumine, EEG aeglustumine),“ märgib II Gaez. „See tõestab, et SOP-i saab „näha“ mitte ainult käitumise, vaid ka otse ajutegevuse kaudu.“

• Individuaalsed erinevused
  „Leidsime, et kroonilise unepuudusega inimestel ilmnesid varasemad ja selgemad BOLD-nihked,“ ütleb dr Lee. „See avab võimaluse väsimusevastase võitluse strateegiate isikupärastamiseks: mõned võivad vajada sagedasemat mikround, teised aga valgusteraapiat või neurostimulatsiooni.“

• Praktikasse rakendamine
  „Järgmine samm on nende markerite kohandamine kaasaskantavate tehnoloogiatega (fNCD, kuiv EEG-korgid), et jälgida juhtide ja operaatorite valvsust reaalajas,“ lisab professor Martinez.

• Kliinilised perspektiivid
  „Leitud muutused võivad aidata ka unehäirete diagnoosimisel: unetus, apnoe ja narkolepsia mõjutavad SOP-i algfaasi erinevalt ning BOLD-marker aitab neid seisundeid eristada,“ järeldab dr Singh.

See uuring sillutab teed õnnetuste ja vigastuste ennetamise neurotehnoloogiatele, mis põhinevad unisuse tekkimise reaalajas ja individuaalsetel markeritel, ning lubab muuta teed ja tööstusobjektid ohutumaks.