یک مطالعه تازه به طور کلی مشخص می کند که چطور امواج سریع مغزی که قبلا نادیده گرفته شده بودند، الگوهای اولیه خواب و بیداری را تعریف می‌کنند.

خواب و بیداری حالت‌های کاملاً متمایزی می باشند که مرزهای زندگی روزمره ما را اشکار می‌کنند. برای سالها، دانشمندان تفاوت بین این فرآیندهای غریزی مغز را با مشاهده امواج مغزی اندازه‌گیری می‌کردند و خواب مشخصاً با امواج آهسته و طویل‌زمان اندازه‌گیری شده در دهم ثانیه اندازه‌گیری می‌شد که در کل اندام حرکت می‌کند.

اکنون برای اولین بار دانشمندان دریافته‌اند که خواب را می‌توان با الگوهای فعالیت عصبی در سطح میلی‌ثانیه، یعنی ۱۰۰۰ برابر مختصر‌تر از یک ثانیه تشخیص داد که روش جدیدی را برای مطالعه و فهمیدن الگوهای مهم امواج مغزی که بر هوشیاری حاکم است، مشخص می کند. آنها این چنین نشان داده‌اند که مناطق کوچکی از مغز می‌توانند به شکل لحظه‌ای بیدار شوند، در حالی که بقیه مغز در خواب است و برعکس، در حالی که بقیه مغز بیدار است، آن علتبه خواب کوتاهی بروند.

این یافته‌ها که در یک مطالعه تازه انتشار شده در مجله Nature Neuroscience شرح داده شده‌، حاصل همکاری بین آزمایشگاه‌های زیست‌شناسی کیت هنگن در دانشگاه واشنگتن در سنت لوئیس و پروفسور برجسته مهندسی بیومولکولی دیوید هاوسلر در دانشگاه کالیفرنیا سانتا کروز است. این پژوهش توسط دو دانشجوی دکترا به نام‌های دیوید پارکز و آیدان اشنایدر انجام شده است.

پارکس و اشنایدر در طول چهار سال کار، یک شبکه عصبی را آموزش دادند تا الگوهای حاضر در مقادیر عظیمی از داده‌های امواج مغزی را مطالعه کند و الگوهایی را که در فرکانس‌های زیاد بالا رخ خواهند داد که قبلاً هیچ زمان شرح داده نشده بودند و مفاهیم بنیادی و دیرپای عصب‌شناسی اساسی خواب و بیداری را به چالش می‌کشند، آموزش دادند.

هنگن او گفت: با ابزارهای قوی و راه حلهای محاسباتی تازه، با به چالش کشیدن ابتدایی‌ترین مفروضات ما و بازدید مجدد سوال «حالت چیست؟» چیزهای بسیاری می‌توان به دست آورد. خواب یا بیداری بزرگترین عامل تعیین کننده حرکت شما است و سپس همه چیز از آن نشات می‌گیرد. به این علت اگر نفهمیم خواب و بیداری در واقع چیست، به نظر می‌رسد که راه را نادرست رفته‌ایم.

او گفت: برای ما به گفتن دانشمند شگفت‌انگیز می بود که فهمید شدیم تکه‌های گوناگون مغز ما در واقع وقتی که بقیه مغز بیدار است، چرت‌های کوتاهی می‌زنند.

فهمیدن خواب

دانشمندان علوم اعصاب، مغز را از طریق ضبط سیگنال‌های الکتریکی فعالیت مغز که به نام داده‌های الکتروفیزیولوژی شناخته خواهد شد، مطالعه می‌کنند و امواج ولتاژ را در زمان اوج گرفتن و سقوط با شدت‌های گوناگون مشاهده می‌کنند. در این امواج، الگوهای اوج‌گیری نورون‌های منفرد مخلوط شده‌اند.

محققان با داده‌های حاصل از موش‌های آزمایشگاهی هنگن در سنت لوئیس کار کردند. این موش‌ها به یک هدست زیاد سبک تجهیزبودند که فعالیت مغز آنها را از ۱۰ منطقه گوناگون مغز برای ماه‌ها ثبت می‌کرد و ولتاژ گروه‌های کوچکی از نورون‌ها را با دقت میکروثانیه ردیابی می‌کرد.

این کار جهت تشکیل یک پتابایت داده(یک میلیون برابر یک گیگابایت) شد. دیوید پارکس تلاش کرد تا این داده‌های خام را به یک شبکه عصبی مصنوعی داخل کند که بتواند الگوهای زیاد پیچیده را اشکار کند و داده‌های خواب و بیداری را نزدیک کند و الگوهایی را اشکار کند که در مشاهدات انسانی امکان پذیر از قلم افتاده باشند.

همکاری و منفعت گیری مشترک از زیرساخت‌های محاسباتی دانشگاهی این تیم را قادر ساخت که با این داده‌ها در مقیاسی که شرکت‌های بزرگی همانند گوگل یا فیس‌بوک منفعت گیری می‌کنند، کار کند.

پارکس با علم به این که خواب به طور سنتی با امواج آهسته تعریف می‌شود، اغاز به تغذیه تکه‌های کوچک‌تر و کوچک‌تر داده به شبکه عصبی کرد و از آن خواست تا پیش‌بینی کند که مغز خواب است یا بیدار.

آنها دریافتند که این مدل می‌تواند بین خواب و بیداری تنها از چند میلی‌ثانیه داده‌های مربوط به فعالیت مغز اختلاف قائل شود. این برای تیم تحقیقاتی شوکه کننده می بود، چرا که نشان داد که این مدل نمی‌تواند برای یادگیری تفاوت بین خواب و بیداری به امواج آهسته متکی باشد.

به حرف های محققان، همانطور که گوش دادن به یک هزارم ثانیه از یک آهنگ نمی‌تواند همه آن را توصیف کند، برای این مدل نیز غیرممکن است که ریتمی را که طی چند ثانیه اتفاق می‌افتد، با نگاه کردن به اطلاعات اتفاقی جدا شده چند میلی‌ثانیه‌ای یاد بگیرد.

محققان با مشاهده حرکت موش‌ها مشاهده کردند که هنگامی یک ناحیه مغز در حالی که بقیه مغز بیدار است به خواب می‌رود، موش برای یک ثانیه مکث می‌کند

هاسلر او گفت: ما اطلاعاتی را در سطحی از جزئیات می‌بینیم که بی‌سابقه است. حس قبلی این می بود که چیزی در آنجا اشکار نمی‌شود و همه اطلاعات وابسته در امواج فرکانس کندتر نهفته است.

پژوهشگران در این مقاله می‌گویند اگر اندازه‌گیری‌های مرسوم را نادیده بگیرید و فقط به جزییات اندازه‌گیری فرکانس بالا فقط در یک هزارم ثانیه نگاه کنید، به قدر کافی اطلاعات وجود دارد که بفهمید آیا بافت مغز خواب است یا نه. این به ما می‌گوید که چیزی در مقیاس زیاد سریع در حال انجام است و یک اشاره تازه به آن چیزی است که امکان پذیر در خواب اتفاق بیفتد.

هنگن به نوبه خود قانع شده می بود که پارکس و اشنایدر چیزی را نادیده گرفته‌اند، چون نتایج آنها با مفاهیم پایه‌ای که طی سال‌ها آموزش علوم اعصاب در ذهن او تشکیل شده می بود، متناقض می بود. او از پارکس خواست تا شواهد بیشتری مبنی بر واقعی بودن این اتفاق اراعه دهد.

وی او گفت: این من را به چالش کشید تا از خودم بپرسم «باورهای من تا چه حد مبتنی بر شواهد می باشند و چه مدرکی باید ببینم تا آن باورها را زیر پا بگذارم؟» این واقعاً همانند به یک بازی موش و گربه می بود، چون من چندین دفعه و چندین دفعه از دیوید خواستم تا شواهد بیشتری اراعه دهد و چیزهایی را به من ثابت کند. به ‌گفتن یک دانشمند، این فرآیند واقعاً دلنشین می بود که دانشجویانم این دیوار باور مرا آجر به آجر خراب کنند و من ناچار باشم با آن مشکلی نداشته باشم.

الگوهای منطقه‌ای

از آنجایی که یک شبکه عصبی مصنوعی اساسا یک جعبه سیاه است و چیزی را که می‌آموزد، گزارش نمی‌دهد، پارکس اغاز به حذف لایه‌های اطلاعات وقتی و مکانی کرد تا بفهمد مدل از چه الگوهایی می‌تواند یاد بگیرد.

در نهایت، آنها به نقطه‌ای رسیدند که به تکه‌هایی از داده‌های مغزی فقط یک میلی‌ثانیه و در بیشترین فرکانس نوسانات ولتاژ مغز نگاه می‌کردند.

پارکس او گفت: ما همه اطلاعاتی را که علوم اعصاب برای فهمیدن، تعریف و تجزیه و تحلیل خواب در قرن قبل منفعت گیری کرده می بود، جمع‌آوری کردیم و پرسیدیم که آیا این مدل تا این مدت می‌تواند تحت این شرایط یاد بگیرد؟ این کار به ما امکان داد تا سیگنال‌هایی را که قبلاً فهمیدن نکرده بودیم، بازدید کنیم.

آنها با مشاهده این داده‌ها توانستند تشخیص دهند که الگوی فعالیت زیاد سریع بین تنها چند نورون، عنصر اساسی خواب است که مدل شناسایی می‌کند. زیاد مهم است که این چنین الگوهایی را نمی‌توان با امواج سنتی گفت.

محققان فکر می‌کنند که امواج آهسته امکان پذیر برای هماهنگ کردن الگوهای سریع و محلی فعالیت مغز عمل کنند، اما در نهایت به این نتیجه رسیدند که الگوهای سریع به ماهیت واقعی خواب زیاد نزدیک‌تر می باشند.

اگر امواج آهسته که به طور سنتی برای تعریف خواب منفعت گیری می‌شود با هزاران نفر در یک استادیوم که موج مکزیکی می‌روال، قیاس ‌شود، این الگوهای حرکت سریع همان مکالمه بین چند نفری است که تصمیم به شرکت در موج می‌گیرند. این مکالمات برای وقوع موج بزرگ‌تر الزامی است و مستقیماً با حال و هوای استادیوم مرتبط است و موج نتیجه ثانویه آن است.

مشاهده سوسو زنی

محققان در مطالعه زیاد تر الگوهای فعالیت منطقه‌ای مغز فهمید اتفاق شگفت انگیز فرد دیگر شدند.

هنگامی که آنها مدلی را که خواب یا بیداری را پیش‌بینی می‌کرد، مشاهده کردند، فهمید اشتباهاتی شدند که در ابتدا اشتباه به نظر می‌رسیدند که در آن مدل برای کسری از ثانیه بیداری را در یک ناحیه از مغز تشخیص می‌داد، در حالی که بقیه مغز در خواب باقی می‌ماند. آنها همین نوشته را در حالت بیداری نیز دیدند. این که برای کسری از ثانیه، یک منطقه از مغز به خواب می‌رفت در حالی که بقیه مناطق بیدار بودند. آنها این موارد را «سوسو زدن» نامیدند.

اشنایدر او گفت: ما می‌توانیم به وقتی که این نورون‌ها شلیک می‌کنند، نگاه کنیم و کاملاً آشکار می بود که نورون‌ها در حال انتقال به حالت فرد دیگر می باشند. در برخی موارد، این سوسو زدن‌ها امکان پذیر فقط به یک ناحیه از مغز و احتمالا حتی کوچکتر از یک ناحیه محدود شود.

این کار محققان را وادار کرد تا معنی سوسو زدن را در رابطه کارکرد خواب و چگونگی تأثیر آنها بر حرکت در زمان خواب و بیداری بازدید کنند.

اشنایدر افزود: یک فرضیه طبیعی در اینجا وجود دارد. فکر کنید تکه کوچکی از مغز شما در حالی که بیدار هستید به خواب می‌رود. آیا این بدان معناست که حرکت شما یک دفعه اینگونه به نظر می‌رسد که در خواب هستید؟ ما فهمید شدیم که زیاد تر این چنین است.

محققان با مشاهده حرکت موش‌ها مشاهده کردند که هنگامی یک ناحیه مغز در حالی که بقیه مغز بیدار است به خواب می‌رود، موش برای یک ثانیه مکث می‌کند.

سوسو زدن‌ها به‌ شکل اختصاصی شگفت‌انگیز می باشند، چون از قوانین ثابتی پیروی نمی‌کنند که چرخه دقیق مغز را به ‌طور متوالی بین خواب و بیداری تعریف می‌کند.