Bagaimana Otak "Mencadangkan" Keletihan: Dinamik fMRI Semasa Tertidur

Satu kajian oleh pasukan Profesor II Gaez di University of Southern California (USC), yang diterbitkan dalam iScience, menunjukkan penanda neuroimaging objektif baharu yang boleh mengesan permulaan rasa mengantuk pada peringkat awal - sebelum seseorang itu tidur sepenuhnya.

Tugas dan perkaitan

Tidur mikro dan kehilangan perhatian seketika membawa kepada ratusan kemalangan lalu lintas dan kecederaan industri. Sehingga kini, sukar untuk meramalkan masa yang tepat "tertidur" menggunakan soal selidik subjektif atau elektroensefalogram. Dalam kajian ini, para penyelidik melihat sama ada mungkin untuk mengesan permulaan Tempoh Mula Tidur (SOP) dengan perubahan dalam isyarat BOLD dalam MRI berfungsi.

Mengapa ini penting?

• Diagnosis awal keletihan. Pengenalpastian neuromap yang tepat membantu membangunkan kaedah untuk memantau pemandu dan pengendali, mencegah kemalangan akibat tidur mikro.
• Kajian tidur. Dinamik ayunan BOLD perlahan boleh menjadi biomarker objektif permulaan SOP, melengkapkan ujian psikologi dan elektrofisiologi.
• Neuromodulasi: Menyasarkan talamus atau rangkaian perhatian dengan neurostimulasi boleh memanjangkan terjaga dalam situasi kritikal tanpa farmakologi.

"Kami telah menunjukkan buat kali pertama bahawa peralihan kepada mengantuk disertai dengan anjakan yang jelas dan boleh dihasilkan semula dalam turun naik perlahan isyarat BOLD," komen II Gaez. "Ini membuka jalan kepada pemantauan objektif keletihan berdasarkan neuroimaging."

Reka bentuk eksperimen

1. Kuorum sukarelawan: 20 peserta yang sihat (10 m/10 f, berumur 22-35 tahun) tanpa gangguan tidur.
2. Tidur dalam pengimbas MRI: Subjek berbaring dengan mata tertutup dan dibenarkan tertidur dengan bebas dengan pengimbas memainkan bunyi latar belakang (80 dB).
   • EEG (elektrod sendiri dalam pengimbas),
   • EOM (amplitud pergerakan mata),
   • Kamera pengawasan kelopak mata.
3. Definisi SOP: dengan gabungan kelopak mata separuh tertutup, memperlahankan irama EEG dan, buat kali pertama, dengan perubahan dalam parameter BOLD.

Analisis terperinci isyarat BOLD

• Turun naik frekuensi rendah (0.03–0.07 Hz): pada peringkat awal SOP, amplitud ayunan ini meningkat sebanyak 30–50% dalam
  • talamus (koordinasi terjaga),
  • korteks oksipital (pemprosesan visual),
  • nod rangkaian mod lalai (DMN): korteks prefrontal medial dan PCC.
• Kesambungan fungsional:
  • Thalamus ↔ korteks prefrontal: meningkat sebanyak 20%, menunjukkan peningkatan "terjemahan" isyarat tidur ke korteks.
  • Rangkaian perhatian (DAN): Sambungan antara lobus parietal dan frontal dikurangkan sebanyak 15%, mencerminkan kelemahan orientasi luaran.

Korelasi dengan keletihan

• Perbezaan individu: Peserta yang kurang tidur 24 jam (<6 jam) menunjukkan peningkatan yang lebih awal dan lebih ketara dalam ayunan frekuensi rendah.
• Data tingkah laku: Tanda-tanda pertama tidur mikro (tindak balas tertunda kepada tugas visual mudah dalam MRI) bertepatan dengan amplitud puncak paksi BOLD thalamus-DMN.

Permohonan yang mungkin

1. Pemantauan pemandu dan pengendali: pemindahan penemuan fMRI ke peranti fMRI atau EEG mudah alih untuk amaran awal keletihan.
2. Jadual kerja yang diperibadikan: mengambil kira "ambang" SOP individu semasa merancang syif dan berehat, mengurangkan kemalangan.
3. Terapi tidur: menguji kesan kafein, tidur sebentar dan neuromodulasi (stimulasi magnet transkranial) pada peralihan BOLD yang perlahan.

Petikan pengarang

"Kami telah menunjukkan buat kali pertama betapa perlahan ayunan BOLD dalam talamus dan korteks meramalkan permulaan tidur," komen Prof. Gaez. "Ini membuka jalan untuk membangunkan 'mata fisiologi' objektif untuk memantau kewaspadaan."

“Penemuan kami membolehkan kami memikirkan semula pengurusan keletihan: tidak lagi cukup untuk bertanya, 'Bagaimana anda tidur?' – kita perlu dapat 'melihat' otak,” tambah pengarang bersama Dr. Li Jing.

Penulis menyerlahkan perkara penting berikut:

• Kebolehpercayaan neurobiologi penanda
  "Peningkatan turun naik frekuensi rendah isyarat BOLD dalam talamus dan rangkaian mod pasif jelas berkorelasi dengan tanda-tanda objektif mengantuk (penutupan kelopak mata, EEG melambatkan), - nota II Gaez. - Ini membuktikan bahawa SOP boleh "dilihat" bukan sahaja oleh tingkah laku, tetapi juga secara langsung oleh aktiviti otak."

• Perbezaan individu
  "Kami mendapati bahawa orang yang kurang tidur kronik menunjukkan perubahan BOLD yang lebih awal dan lebih ketara," kata Dr. Lee. "Ini membuka kemungkinan untuk memperibadikan strategi melawan keletihan: sesetengah mungkin memerlukan 'microsleep' yang lebih kerap, manakala yang lain mungkin memerlukan terapi cahaya atau neurostimulasi."

• Terjemahan ke dalam amalan
  "Langkah seterusnya ialah menyesuaikan penanda ini kepada teknologi mudah alih (fNCD, penutup EEG kering) untuk memantau kewaspadaan dalam masa nyata dalam pemandu dan pengendali," tambah Prof. Martinez.

• Perspektif Klinikal
  "Perubahan yang ditemui juga boleh membantu dalam mendiagnosis gangguan tidur: insomnia, apnea dan narkolepsi mempunyai kesan yang berbeza pada fasa awal SOP, dan penanda BOLD akan membantu membezakan keadaan ini," Dr. Singh menyimpulkan.

Penyelidikan ini membuka jalan kepada neuroteknologi pencegahan kemalangan dan kecederaan berdasarkan masa nyata dan penanda individu bagi permulaan mengantuk, dan berjanji untuk menjadikan jalan raya dan tapak perindustrian lebih selamat.