Ύπνος και μνήμη: «Μοναχικά» εγκεφαλικά κύματα συνδέονται με απώλεια μνήμης

Έχετε μόλις βγει από το σούπερ μάρκετ και ετοιμάζεστε να γυρίσετε σπίτι για να μαγειρέψετε. Όμως, κοιτάζοντας το γεμάτο πάρκινγκ, αναρωτιέστε: πού έχετε αφήσει το αυτοκίνητο; Προσπαθείτε να θυμηθείτε τη θέση, αλλά η ανάμνηση δεν έρχεται.

Η ανάκληση προσωπικών εμπειριών, όπως αυτή, βασίζεται στην επεισοδιακή μνήμη, που μας επιτρέπει να θυμόμαστε γεγονότα από τη ζωή μας. Οι αναμνήσεις αυτές συμβάλλουν στη διαμόρφωση της μακροπρόθεσμης μνήμης, είτε αφορούν ένα σημαντικό γεγονός της παιδικής ηλικίας, όπως η πρώτη μέρα στο δημοτικό, είτε κάτι που συνέβη μόλις λίγα λεπτά νωρίτερα, όπως το πού παρκάραμε.

Η ικανότητα αυτή τείνει να εξασθενεί όσο μεγαλώνουμε. Οι εικόνες, οι ήχοι και άλλες λεπτομέρειες παλαιότερων εμπειριών μπορεί να γίνονται όλο και πιο δύσκολο να ανακληθούν. Οι επιστήμονες δεν κατανοούν ακόμη πλήρως γιατί συμβαίνει αυτό. Κάποια έκπτωση της μνήμης είναι συνηθισμένο μέρος της γήρανσης, όμως οι αλλαγές μπορεί να είναι πολύ πιο έντονες σε ανθρώπους που εμφανίζουν νόσο Αλτσχάιμερ.

Νέα μελέτη ερευνητών του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας στο Μπέρκλεϊ προσφέρει σημαντικά στοιχεία για το τι μπορεί να συμβαίνει στον εγκέφαλο καθώς γερνά. Ο νευροεπιστήμονας Omer Sharon και οι συνεργάτες του, υπό την καθοδήγηση του πρώην ερευνητή ύπνου του Μπέρκλεϊ Matthew Walker, εντόπισαν σύνδεση ανάμεσα στις διαταραγμένες εγκεφαλικές κυματομορφές κατά τον βαθύ ύπνο, τη μειωμένη επίδοση στη μνήμη και τη συσσώρευση της πρωτεΐνης ταυ, η οποία σχετίζεται με τη νόσο Αλτσχάιμερ.

Τα ευρήματα δείχνουν ότι η συσσώρευση ταυ στον μετωπιαίο φλοιό συνδέεται με αλλαγές στη συντονισμένη ηλεκτρική δραστηριότητα που βοηθά στη διατήρηση των αναμνήσεων κατά τη διάρκεια της νύχτας.

«Είναι η πρώτη φορά που δείχνουμε αυτή τη σχέση ανάμεσα στην ταυ και τον τρόπο με τον οποίο διαταράσσει την παγίωση της μνήμης, εξασθενίζοντας τα βραδέα κύματα που διαδίδονται και ξεκινούν από τον μετωπιαίο φλοιό», δήλωσε ο Sharon, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Κέντρο Επιστήμης του Ανθρώπινου Ύπνου του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας στο Μπέρκλεϊ.

Η έρευνα δημοσιεύτηκε στο Nature Neuroscience.

Πώς ο βαθύς ύπνος βοηθά τον εγκέφαλο να αποθηκεύει αναμνήσεις

Ο ύπνος περιλαμβάνει διαφορετικά στάδια, καθένα από τα οποία συνδέεται με ξεχωριστά μοτίβα εγκεφαλικής δραστηριότητας. Ο ύπνος ταχέων οφθαλμικών κινήσεων (REM) ξεχωρίζει επειδή τα μάτια κινούνται κάτω από τα κλειστά βλέφαρα και σε αυτό το στάδιο βλέπουμε τα περισσότερα όνειρα. Ωστόσο, ένα άλλο στάδιο, ο ύπνος μη ταχέων οφθαλμικών κινήσεων (non-REM), είναι ιδιαίτερα σημαντικό για την υγιή λειτουργία του εγκεφάλου.

Σε αυτή τη βαθύτερη φάση του ύπνου, κατά την οποία τα όνειρα είναι περιορισμένα ή απουσιάζουν, μεγάλες ομάδες νευρώνων αδρανοποιούνται για λίγο και στη συνέχεια ενεργοποιούνται ξανά με συντονισμένο τρόπο. Αυτές οι συγχρονισμένες μεταβολές παράγουν βραδέα ηλεκτρικά κύματα που εξαπλώνονται στον εγκέφαλο και συνήθως ξεκινούν από τον μετωπιαίο φλοιό.

«Κάθε βραδύ κύμα αντανακλά μια τεράστια ομάδα νευρώνων που απενεργοποιούνται και ενεργοποιούνται ξανά μαζί», είπε ο Sharon. «Η μελέτη μας δείχνει ότι, για τη μνήμη, είναι κρίσιμο αυτά τα γεγονότα να διαδίδονται διαδοχικά σε μεγάλες περιοχές του εγκεφάλου. Αυτή η συντονισμένη απενεργοποίηση έχει παρατηρηθεί μόνο κατά τον βαθύ ύπνο και μπορεί να αποτελεί έναν από τους λόγους για τους οποίους κοιμόμαστε».

Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι αυτή η προσεκτικά οργανωμένη δραστηριότητα γίνεται λιγότερο συντονισμένη καθώς συσσωρεύεται ταυ στον εγκέφαλο που γερνά. Αντί να διαδίδονται μαζί σε ευρείες περιοχές, τα κύματα γίνονται πιο διάσπαρτα και καλύπτουν μικρότερες αποστάσεις. Οι αλλαγές αυτές συνδέονται με ασθενέστερη παγίωση της μνήμης, έκπτωση των γνωστικών ικανοτήτων και νόσο Αλτσχάιμερ.

Η πρωτεΐνη που σχετίζεται με το Αλτσχάιμερ συνδέεται με διαταραγμένα εγκεφαλικά κύματα

Για να διερευνήσουν τη σχέση, οι επιστήμονες κατέγραψαν την εγκεφαλική δραστηριότητα κατά τη διάρκεια του ύπνου με ηλεκτροεγκεφαλογραφήματα (ΗΕΓ). Σύγκριναν γνωστικά υγιείς νεαρούς ενήλικες στις αρχές της τρίτης δεκαετίας της ζωής τους με μεγαλύτερους σε ηλικία συμμετέχοντες, από τα μέσα της έβδομης έως τα μέσα της όγδοης δεκαετίας.

Οι διαφορές ήταν εμφανείς. Στους νεότερους συμμετέχοντες, ομάδες βραδέων κυμάτων κινούνταν συντονισμένα σε αποστάσεις περίπου ίσες με το πλάτος μιας παλάμης πάνω στο τριχωτό της κεφαλής. Στους μεγαλύτερους ενήλικες, τα κύματα συνήθως διαδίδονταν λιγότερο και εμφανίζονταν πιο ανεξάρτητα, αντί να κινούνται σε συντονισμένες ομάδες.

Η ομάδα εξέτασε επίσης αν οι αλλαγές αυτές σχετίζονταν με τη συσσώρευση ταυ. Σε συνεργασία με τον Dr. William Jagust, ομότιμο καθηγητή δημόσιας υγείας και νευροεπιστήμης στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Μπέρκλεϊ, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν τομογραφίες εκπομπής ποζιτρονίων (PET) για να εξετάσουν τους εγκεφάλους μεγαλύτερων σε ηλικία συμμετεχόντων. Η απεικονιστική αυτή μέθοδος χρησιμοποιεί ραδιενεργούς ιχνηθέτες που εισάγονται στην κυκλοφορία του αίματος, ώστε να αποκαλύπτει τη βιολογική δραστηριότητα και την κατανομή συγκεκριμένων ουσιών.

Οι απεικονίσεις έδειξαν ότι η μεγαλύτερη συσσώρευση ταυ στον μετωπιαίο φλοιό συνδεόταν με διαταραχή των μεγαλύτερης απόστασης κυμάτων που φυσιολογικά διαδίδονται κατά τον βαθύ ύπνο.

Σημαντικό είναι ότι οι αλλαγές αυτές εντοπίστηκαν και σε ανθρώπους που δεν είχαν εμφανίσει νόσο Αλτσχάιμερ.

«Αυτοί οι άνθρωποι δεν είχαν Αλτσχάιμερ», είπε ο Sharon. «Είχαν ταυ στον εγκέφαλό τους, αλλά με υποκλινικές επιπτώσεις. Η έκπτωση της μνήμης τους ήταν μέσα στα φυσιολογικά όρια για την ηλικία τους».

Ο Sharon εξήγησε ότι οι πρώιμες αλλαγές που σχετίζονται με τη νόσο Αλτσχάιμερ μπορεί να διαφέρουν σημαντικά ως προς τη βαρύτητα. Η ποσότητα ταυ στον εγκέφαλο σχετίζεται με τη γνωστική επίδοση, ακόμη και όταν οι ικανότητες μνήμης ενός ατόμου παραμένουν εντός των αναμενόμενων ορίων για την ηλικία του.

Τα «μοναχικά κύματα» συνδέονται με απώλεια μνήμης

Οι ερευνητές θέλησαν να διαπιστώσουν αν τα μεταβαλλόμενα μοτίβα ύπνου σχετίζονταν με πραγματικές διαφορές στην ικανότητα των συμμετεχόντων να θυμούνται πληροφορίες.

Για τον σκοπό αυτό, οι συμμετέχοντες έμαθαν το βράδυ ζεύγη λέξεων που συνδέονταν μεταξύ τους. Την επόμενη ημέρα κλήθηκαν να ανακαλέσουν όσα είχαν μάθει, ώστε οι επιστήμονες να αξιολογήσουν πόσο αποτελεσματικά διατηρήθηκαν οι αναμνήσεις κατά τη διάρκεια της νύχτας.

Οι συμμετέχοντες των οποίων τα βραδέα εγκεφαλικά κύματα διαδίδονταν σε μικρότερες αποστάσεις και εμφανίζονταν πιο απομονωμένα θυμούνταν γενικά λιγότερους συσχετισμούς λέξεων. Οι ερευνητές ονόμασαν αυτά τα αποσυνδεδεμένα μοτίβα «μοναχικά κύματα».

Η ομάδα παρακολούθησε επίσης μια υποομάδα συμμετεχόντων για αρκετά χρόνια, για να διαπιστώσει πώς μεταβαλλόταν ο εγκέφαλός τους με τον χρόνο. Σε όσους αυξήθηκαν τα επίπεδα ταυ στον μετωπιαίο φλοιό, τα βραδέα κύματα έγιναν λιγότερο συντονισμένα και μειώθηκε η ικανότητά τους να συγκρατούν όσα μάθαιναν κατά τη διάρκεια της νύχτας.

Οι παρατηρήσεις αυτές παρέχουν στοιχεία για μια σχέση ανάμεσα στη συσσώρευση ταυ, τις αλλαγές στην εγκεφαλική δραστηριότητα κατά τον βαθύ ύπνο και την επιδείνωση της επεισοδιακής μνήμης. Ωστόσο, δεν αποδεικνύουν ότι η συσσώρευση ταυ προκαλεί άμεσα απώλεια μνήμης ή ότι τα διαταραγμένα κύματα είναι ο μηχανισμός που ευθύνεται γι’ αυτήν.

Πρόσθετες εξετάσεις ενισχύουν τη σύνδεση

Επειδή οι τομογραφίες PET είναι ακριβές και απαιτούν εξειδικευμένες εγκαταστάσεις, οι επιστήμονες αναζήτησαν έναν ακόμη τρόπο να εξετάσουν τη σχέση ανάμεσα στις πρωτεΐνες που σχετίζονται με τη νόσο Αλτσχάιμερ και τη δραστηριότητα κατά τον ύπνο.

Σε συνεργασία με τη νευρολόγο Yo-El Ju του Πανεπιστημίου της Ουάσιγκτον στο Σεντ Λούις, ανέλυσαν εγκεφαλονωτιαίο υγρό από μια διαφορετική ομάδα μεγαλύτερων σε ηλικία ενηλίκων. Στόχος ήταν να διαπιστώσουν αν οι μετρήσεις πρωτεϊνών που συνδέονται με το Αλτσχάιμερ θα έδειχναν μοτίβα παρόμοια με εκείνα που παρατηρήθηκαν στις απεικονίσεις του εγκεφάλου.

Σε αντίθεση με τις τομογραφίες PET, οι μετρήσεις στο εγκεφαλονωτιαίο υγρό δεν μπορούσαν να εντοπίσουν ειδικά τη συσσώρευση ταυ στον μετωπιαίο φλοιό. Ωστόσο, τα αποτελέσματα έδειξαν προς την ίδια κατεύθυνση.

Τα άτομα των οποίων ο εγκέφαλος παρήγαγε πιο απομονωμένα βραδέα κύματα κατά τον ύπνο είχαν υψηλότερη αναλογία ταυ προς αμυλοειδές στο εγκεφαλονωτιαίο υγρό τους. Το αμυλοειδές είναι μια ακόμη πρωτεΐνη που συνδέεται στενά με τη νόσο Αλτσχάιμερ.

Η συμφωνία των αποτελεσμάτων ανάμεσα σε ανεξάρτητες ομάδες και διαφορετικές μεθόδους ελέγχου ενίσχυσε την εμπιστοσύνη των ερευνητών στα ευρήματα.

«Η συλλογή των δειγμάτων έγινε σε εντελώς διαφορετικό σημείο και σε διαφορετική ομάδα συμμετεχόντων, επομένως πιστεύω ότι αυτό ενισχύει τα στοιχεία», είπε ο Sharon.

Συνολικά, οι καταγραφές ύπνου, οι απεικονίσεις του εγκεφάλου, οι αναλύσεις εγκεφαλονωτιαίου υγρού και οι αξιολογήσεις μνήμης υποδηλώνουν ότι η συσσώρευση ταυ συνδέεται με συγκεκριμένη διαταραχή της εγκεφαλικής δραστηριότητας κατά τον βαθύ ύπνο.

«Αυτή η διαχρονική συσχέτιση δείχνει ότι η παθολογία της νόσου Αλτσχάιμερ συνδέεται με διαταραχή αυτού του βασικού χαρακτηριστικού του ύπνου», είπε ο Sharon.

Τι αποκαλύπτει ο βαθύς ύπνος για τον εγκέφαλο που γερνά

Παρότι η μνήμη συχνά εξασθενεί με την ηλικία, η νέα έρευνα δείχνει ότι η διαδικασία μπορεί να περιλαμβάνει περισσότερα από τη γήρανση και μόνο. Αλλαγές που σχετίζονται με τη νόσο Αλτσχάιμερ, και ιδίως η συσσώρευση ταυ σε περιοχές που είναι υπεύθυνες για την παραγωγή ευρέως διαδιδόμενων βραδέων κυμάτων, ενδέχεται να βοηθούν να εξηγηθεί γιατί ορισμένοι άνθρωποι δυσκολεύονται περισσότερο να συγκρατούν αναμνήσεις.

«Δεν έχει να κάνει μόνο με την ηλικία», είπε ο Sharon. «Έχει να κάνει με το πόση παθολογία υπάρχει στις μετωπιαίες περιοχές, από όπου ξεκινούν τα κύματα που εξαπλώνονται σε όλο τον εγκέφαλο».

Σημαντικό ρόλο φαίνεται να έχει και η ποιότητα του ύπνου. Αν και είναι δύσκολο να οριστεί ή να μετρηθεί με ακρίβεια, η οργάνωση και η κίνηση των βραδέων εγκεφαλικών κυμάτων μπορεί να προσφέρουν σημαντικές ενδείξεις για το πόσο αποτελεσματικά επιτελεί ο εγκέφαλος τις λειτουργίες της μνήμης κατά τη διάρκεια της νύχτας.

Τα ευρήματα αφήνουν ανοιχτό το ενδεχόμενο οι αλλαγές στη δραστηριότητα του βαθύ ύπνου να βοηθήσουν μελλοντικά τους ερευνητές να κατανοήσουν καλύτερα ή να εντοπίσουν πρώιμα προβλήματα μνήμης. Παράλληλα, υποδεικνύουν πιθανούς στόχους για μελλοντικές θεραπείες που θα αποσκοπούν στην προστασία της μνήμης καθώς οι άνθρωποι μεγαλώνουν.

Προς το παρόν, όμως, ένα βασικό ερώτημα παραμένει αναπάντητο. Οι επιστήμονες πρέπει να εξακριβώσουν αν η συσσώρευση ταυ συμβάλλει στη διάσπαση των συγχρονισμένων κυμάτων του ύπνου, αν οι αλλαγές στα κύματα επηρεάζουν τη συσσώρευση ταυ ή αν στη σχέση εμπλέκονται και άλλες διεργασίες.

«Βλέπουμε την ταυ και τα μοναχικά κύματα να αυξάνονται μαζί με την πάροδο του χρόνου», είπε ο Sharon. «Αυτό που δεν μπορούμε ακόμη να πούμε είναι ποιο από τα δύο προηγείται — και αυτό το ερώτημα θα καθορίσει τον σχεδιασμό των παρεμβάσεων».

Στους υπόλοιπους συν-συγγραφείς της μελέτης περιλαμβάνονται οι Xi Chen, James Westphal, Chelsea Brown και Vyoma D. Shah από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Μπέρκλεϊ, καθώς και ο Jason Dude από το Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον στο Σεντ Λούις.

Η χρηματοδότηση προήλθε από επιχορηγήσεις του Εθνικού Ινστιτούτου Γήρανσης των Εθνικών Ινστιτούτων Υγείας. Ο Sharon έλαβε επίσης υποστήριξη μέσω μεταδιδακτορικής υποτροφίας του Ιδρύματος Glenn για την Ιατρική Έρευνα και υποτροφίας του Weill Neurohub.