Kaip smegenys „siūlo“ nuovargį: fMRI dinamika užmiegant

Pietų Kalifornijos universiteto (USC) profesoriaus II Gaezo komandos tyrimas, paskelbtas žurnale „iScience“, demonstruoja naujus objektyvius neurovaizdinius žymenis, kurie gali aptikti mieguistumo pradžią ankstyvoje stadijoje – dar prieš žmogui visiškai užmiegant.

Užduotis ir aktualumas

Mikromiegas ir trumpalaikis dėmesio praradimas sukelia šimtus eismo įvykių ir traumų darbe. Iki šiol buvo sunku numatyti tikslų „užmigimo“ laiką naudojant subjektyvius klausimynus ar elektroencefalogramą. Šiame tyrime tyrėjai tyrė, ar įmanoma nustatyti miego pradžios periodo (SOP) pradžią pagal BOLD signalo pokyčius funkciniame MRT.

Kodėl tai svarbu?

• Ankstyva nuovargio diagnostika. Tikslių neuromapų nustatymas padeda kurti vairuotojų ir operatorių stebėjimo metodus, užkertant kelią avarijoms dėl mikromiego.
• Miego tyrimai. Lėtų BOLD oscilacijų dinamika gali tapti objektyviu SOP pradžios biožymeniu, papildančiu psichologinius ir elektrofiziologinius testus.
• Neuromoduliacija: neurostimuliacijos taikymas į talamą arba dėmesio tinklus gali pailginti budrumą kritinėse situacijose be farmakologinių priemonių.

„Pirmą kartą parodėme, kad perėjimą prie mieguistumo lydi aiškūs, atkartojami lėtų BOLD signalo svyravimų pokyčiai“, – komentuoja II Gaezas. „Tai atveria kelią objektyviam nuovargio stebėjimui, pagrįstam neurovaizdinimu.“

Eksperimentinis dizainas

1. Savanorių kvorumas: 20 sveikų dalyvių (10 m./10 m., 22–35 metų amžiaus), neturinčių miego sutrikimų.
2. Miegas MRT skaitytuve: Tiriamieji gulėjo užmerktomis akimis ir galėjo laisvai užmigti, skaitytuvui grojant foninį triukšmą (80 dB).
   • EEG (savo elektrodai skeneryje),
   • Akių judesių amplitudė (EOM),
   • Akių vokų stebėjimo kamera.
3. SOP apibrėžimas: pusiau užmerktų vokų, EEG ritmų sulėtėjimo ir pirmą kartą BOLD parametrų pokyčių derinys.

Išsami BOLD signalo analizė

• Žemo dažnio svyravimai (0,03–0,07 Hz): ankstyvosiose SOP stadijose šių svyravimų amplitudė padidėjo 30–50 %.
  • talamas (budrumo koordinacija),
  • pakaušio žievė (regos apdorojimas),
  • Numatytoji režimo tinklo (DMN) mazgai: medialinė prefrontalinė žievė ir PCC.
• Funkcinis ryšys:
  • Talamas ↔ prefrontalinė žievė: padidėjo 20 %, o tai rodo padidėjusį miego signalų „vertimą“ į žievę.
  • Dėmesio tinklas (DAN): ryšiai tarp parietalinės ir priekinės smegenų skilčių sumažėjo 15 %, o tai rodo išorinės orientacijos susilpnėjimą.

Koreliacija su nuovargiu

• Individualūs skirtumai: Dalyviai, kurie miegojo trumpiau nei 24 valandas (<6 val.), anksčiau ir labiau padidino žemo dažnio svyravimus.
• Elgesio duomenys: Pirmieji mikromiego požymiai (uždelstas atsakas į paprastą vaizdinę užduotį MRT tyrime) sutapo su talamo ir DMN BOLD ašies didžiausia amplitude.

Galimos taikymo sritys

1. Vairuotojo ir operatoriaus stebėsena: fMRI išvadų perkėlimas į nešiojamus fMRI arba EEG prietaisus, siekiant anksti įspėti apie nuovargį.
2. Individualūs darbo grafikai: planuojant pamainas ir poilsį, atsižvelgiama į individualią SOP „slenkstį“, taip sumažinant nelaimingų atsitikimų skaičių.
3. Miego terapija: kofeino, trumpų pogulių ir neuromoduliacijos (transkranijinės magnetinės stimuliacijos) poveikio lėtėjant BOLD poslinkiams tyrimas.

Autorių citatos

„Pirmą kartą parodėme, kaip lėti BOLD svyravimai talame ir žievėje prognozuoja miego pradžią“, – komentuoja prof. Gaezas. „Tai atveria kelią objektyvių „fiziologinių akių“ kūrimui budrumui stebėti.“

„Mūsų išvados leidžia mums permąstyti nuovargio valdymą: nebeužtenka klausti: „Kaip miegojote?“ – turime mokėti „matyti“ smegenis“, – priduria bendraautorius dr. Li Jing.

Autoriai pabrėžia šiuos pagrindinius punktus:

• Žymeklių neurobiologinis patikimumas
  „BOLD signalo žemo dažnio svyravimų padidėjimas talame ir pasyvaus režimo tinkle aiškiai koreliuoja su objektyviais mieguistumo požymiais (vokų užmerkimas, EEG sulėtėjimas), – pažymi II Gaezas. – Tai įrodo, kad SOP galima „matoma“ ne tik elgesyje, bet ir tiesiogiai smegenų veikloje.“

• Individualūs skirtumai
  „Pastebėjome, kad žmonės, kenčiantys nuo lėtinio miego trūkumo, anksčiau ir ryškiau parodė BOLD pokyčius“, – sako dr. Lee. „Tai atveria galimybę pritaikyti individualizuotas kovos su nuovargiu strategijas: vieniems gali prireikti dažnesnio „mikromiego“, o kitiems – šviesos terapijos arba neurostimuliacijos.“

• Praktinis pritaikymas
  „Kitas žingsnis – pritaikyti šiuos žymenis nešiojamoms technologijoms (fNCD, sausoms EEG kapsulėms), kad būtų galima realiuoju laiku stebėti vairuotojų ir operatorių budrumą“, – priduria prof. Martinezas.

• Klinikinės perspektyvos
  „Nustatyti pokyčiai taip pat gali padėti diagnozuoti miego sutrikimus: nemiga, apnėja ir narkolepsija turi skirtingą poveikį ankstyvajai SOP fazei, o BOLD žymeklis padės atskirti šias būkles“, – daro išvadą dr. Singhas.

Šis tyrimas atveria kelią nelaimingų atsitikimų ir traumų prevencijos neurotechnologijoms, pagrįstoms realaus laiko ir individualiais mieguistumo pradžios žymenimis, ir žada padidinti kelių bei pramonės objektų saugumą.