Vissa djur, som fåglar, delfiner, och valar, kan ägna sig åt unihemisfärisk sömn, där en hjärnhalva sover medan den andra halvklotet förblir vaken. Att hålla sig halvvaken tillåter djur att bokstavligen "hålla ett öga öppet" för rovdjur, och för flyttfåglar, möjliggör oavbruten flygning i dagar eller till och med veckor i sträck.

Även om unihemisfärisk sömn inte är känd för att förekomma hos människor, Ny forskning har funnit att människor uppvisar en liknande sömnstil när de upplever orolig sömn på en ny plats för första gången, kallad "första natten-effekten". Denna effekt involverar asymmetrisk dynamik mellan de två hemisfärerna:medan den högra hemisfären ägnar sig åt normal långsam sömn, den vänstra hjärnhalvan upplever grundare sömn, vilket tyder på att den kan hålla sig delvis alert.

Nu i en ny studie, forskare har ytterligare undersökt de underliggande mekanismerna för denna sömnaktivitet för att utveckla en modell för unihemisfärisk sömn i den mänskliga hjärnan. Pappret, av Lukas Ramlow et al., publiceras i ett färskt nummer av EPL .

"Vår forskning har visat att spontan dynamisk symmetribrytning av de två hjärnhalvorna är möjlig även för människor, " medförfattare Eckehard Schöll, professor i teoretisk fysik vid Technische Universität Berlin, berättade Phys.org . "Eftersom olika sömnstadier är förknippade med olika grader av synkronisering, Jag tror att någon svag form av unihemisfärisk sömn, dvs. olika sömndjup för de två hemisfärerna, kan mycket väl förekomma hos människor, inte bara hos valar, delfiner, tätningar, och flyttfåglar."

I den mänskliga hjärnan, sömn- och vakentillstånden kan särskiljas genom deras olika former av elektrisk aktivitet. När man är vaken, neuroner i hjärnan eldar i en asynkron, något kaotiskt mode, medan nervceller i den sovande hjärnan eldar på ett mer synkroniserat sätt.

Tidigare forskning har föreslagit att de två hjärnhalvorna kan ses som två kopplade populationer av oscillatorer, eftersom båda hemisfärerna genererar elektriska signaler på ett koordinerat sätt. Ur detta perspektiv, unihemisfärisk sömn uppstår när hjärnan upptar ett tillstånd av två samexisterande domäner, bestående av en synkroniserad (sovande) halvklot och en osammanhängande (vaken) hemisfär. I fysik, denna typ av stat, som kännetecknas av samexistensen av ordning och reda, kallas ett "chimärtillstånd".

Med hjälp av MRT-data från 20 människor på 90 olika hjärnplatser, forskarna undersökte hur hjärnan övergår från inkoherens (vaken) till synkronisering (sömn). Som de förklarar, kopplingen inom varje enskild hemisfär (intra-hemisfärisk koppling) är starkare än den mellan de två hemisfärerna (inter-hemisfärisk koppling). Genom att minska den inter-hemisfäriska kopplingsstyrkan samtidigt som den intra-hemisfäriska kopplingsstyrkan hålls fixerad i sin modell, forskarna observerade att en hemisfär uppvisade mer synkroniserad aktivitet än den andra, liknar unihemisfärisk sömn och chimärtillståndet.

"Tidigare har det spekulerats i att "chimärtillstånd" kan förekomma i naturen i form av unihemisfärisk sömn (vilket är känt för vissa djur), men ingen realistisk modellering gavs, ", sa Schöll. "Betydningen av vårt arbete är att vi för första gången har visat genom att modellera dynamiken i de två hjärnhalvorna med hjälp av empiriska mänskliga hjärnanslutningar att partiell synkronisering som liknar unihemisfärisk sömn verkligen kan inträffa. Dessutom, vi har identifierat mekanismen för detta beroende på olika styrkor hos den intra-hemisfäriska (starka) och inter-hemisfäriska (svaga) kopplingen."

Resultaten stödjer tanken att unihemisfärisk sömn kräver en viss grad av separation mellan de två hemisfärerna. Forskarna fann att denna separation kan uppstå på grund av hjärnans strukturella asymmetri. Det är välkänt, till exempel, att de två hemisfärerna har olika storlek på motsvarande hjärnregioner och olika neuronala tätheter inom dessa regioner.

Baserat på deras modell, forskarna fann att även en lätt strukturell asymmetri resulterar i en dynamisk asymmetri, där en halvklot uppvisar mer synkroniserade skottmönster än den andra, som i ett chimärtillstånd. Så totalt sett, den strukturella asymmetrin i hjärnan kan förklara de underliggande mekanismerna för unihemisfärisk sömn och den relaterade första natten-effekten, men många frågor förblir obesvarade.

"I framtida forskning planerar vi att mer noggrant undersöka tillståndet för unihemisfärisk sömn i vår modell (som använder dynamik på empiriska strukturella anslutningar av mänskliga hjärnor), med avseende på följande frågor, Schöll sa. "Vilka områden i hjärnhalvorna är synkroniserade, vilka är inte det? Kan vi identifiera ett slags relä i hjärnan som förmedlar synkronisering mellan olika delar av hjärnan? Hur är sådan reläsynkronisering relaterad till minne, eller att lära, eller till perception? Också, vi undersöker hur epileptiska anfall, som är förknippade med spontan stark synkronisering av hjärnan, kan initieras och avslutas."

© 2019 Science X Network