Jak mozek „naznačuje“ únavu: Dynamika fMRI během usínání

Studie týmu profesora II. Gaeze z Univerzity Jižní Kalifornie (USC), publikovaná v časopise iScience, demonstruje nové objektivní neurozobrazovací markery, které dokáží detekovat nástup ospalosti v rané fázi – ještě předtím, než člověk plně usne.

Úkol a relevance

Mikrospánek a chvilková ztráta pozornosti vedou ke stovkám dopravních nehod a pracovních úrazů. Doposud bylo obtížné předpovědět přesný čas „usnutí“ pomocí subjektivních dotazníků nebo elektroencefalogramu. V této studii se vědci zabývali tím, zda je možné detekovat nástup Sleep Onset Period (SOP) změnami signálu BOLD na funkční magnetické rezonanci.

Proč je to důležité?

• Včasná diagnostika únavy. Identifikace přesných neuromap pomáhá vyvinout metody pro monitorování řidičů a operátorů a prevenci nehod v důsledku mikrospánku.
• Výzkum spánku. Dynamika pomalých BOLD oscilací se může stát objektivním biomarkerem nástupu SOP a doplnit psychologické a elektrofyziologické testy.
• Neuromodulace: Cílení neurostimulace na thalamus nebo sítě pozornosti by mohlo v kritických situacích prodloužit bdělost bez farmakologie.

„Poprvé jsme ukázali, že přechod do ospalosti je doprovázen jasnými a reprodukovatelnými posuny v pomalých fluktuacích signálu BOLD,“ komentuje II Gaez. „To otevírá cestu k objektivnímu monitorování únavy na základě neurozobrazování.“

Experimentální návrh

1. Kvórum dobrovolníků: 20 zdravých účastníků (10 m/10 žen, ve věku 22–35 let) bez poruch spánku.
2. Spánek v MRI skeneru: Subjekty ležely se zavřenýma očima a mohly volně usnout, zatímco skener přehrával hluk na pozadí (80 dB).
   • EEG (vlastní elektrody ve skeneru),
   • EOM (amplituda pohybu očí),
   • Kamera na sledování očních víček.
3. Definice SOP: kombinací napůl zavřených víček, zpomalení EEG rytmů a poprvé i změnami parametrů BOLD.

Detailní analýza signálu BOLD

• Nízkofrekvenční fluktuace (0,03–0,07 Hz): v raných fázích SOP se amplituda těchto oscilací zvýšila o 30–50 % v
  • thalamus (koordinace bdění),
  • okcipitální kůra (vizuální zpracování),
  • uzly sítě výchozího režimu (DMN): mediální prefrontální kortex a PCC.
• Funkční propojení:
  • Thalamus ↔ prefrontální kortex: zvýšení o 20 %, což naznačuje zvýšený „přenos“ spánkových signálů do kortexu.
  • Síť pozornosti (DAN): Spojení mezi parietálním a frontálním lalokem byla snížena o 15 %, což odráží oslabení vnější orientace.

Korelace s únavou

• Individuální rozdíly: Účastníci s kratším 24hodinovým spánkem (<6 h) vykazovali dřívější a výraznější nárůst nízkofrekvenčních oscilací.
• Behaviorální data: První známky mikrospánku (opožděná reakce na jednoduchý vizuální úkol na MRI) se shodovaly s maximální amplitudou osy thalamus–DMN BOLD.

Možné aplikace

1. Monitorování řidiče a obsluhy: přenos výsledků fMRI do přenosných zařízení fMRI nebo EEG pro včasné varování před únavou.
2. Personalizované pracovní rozvrhy: zohlednění individuálního „prahu“ SOP při plánování směn a odpočinku, což snižuje počet nehod.
3. Spánková terapie: testování účinků kofeinu, krátkého zdřímnutí a neuromodulace (transkraniální magnetická stimulace) na zpomalení posunů BOLD.

Citáty autorů

„Poprvé jsme ukázali, jak pomalé BOLD oscilace v thalamu a kortexu predikují nástup spánku,“ komentuje profesor Gaez. „To otevírá cestu k vývoji objektivních ‚fyziologických očí‘ pro sledování bdělosti.“

„Naše zjištění nám umožňují přehodnotit zvládání únavy: už nestačí se ptát: ‚Jak jste se vyspali?‘ – musíme být schopni ‚vidět‘ mozek,“ dodává spoluautor Dr. Li Jing.

Autoři zdůrazňují následující klíčové body:

• Neurobiologická spolehlivost markerů
  „Zvýšení nízkofrekvenčních fluktuací signálu BOLD v thalamu a síti pasivního režimu jasně koreluje s objektivními známkami ospalosti (zavření víček, zpomalení EEG),“ poznamenává II Gaez. „To dokazuje, že SOP lze „vidět“ nejen chováním, ale také přímo mozkovou aktivitou.“

• Individuální rozdíly
  „Zjistili jsme, že lidé s chronickou spánkovou deprivací vykazovali dřívější a výraznější změny v BOLD,“ říká Dr. Lee. „To otevírá možnost personalizace strategií boje proti únavě: někteří mohou potřebovat častější ‚mikrospánek‘, zatímco jiní mohou potřebovat světelnou terapii nebo neurostimulaci.“

• Převod do praxe
  „Dalším krokem je adaptace těchto markerů na přenosné technologie (fNCD, suché EEG čepice) pro sledování bdělosti v reálném čase u řidičů a operátorů,“ dodává profesor Martinez.

• Klinické perspektivy
  „Zjištěné změny mohou také pomoci při diagnostice poruch spánku: nespavost, apnoe a narkolepsie mají různé účinky na časnou fázi SOP a marker BOLD pomůže tyto stavy rozlišit,“ uzavírá Dr. Singh.

Tento výzkum otevírá cestu neurotechnologiím pro prevenci nehod a zranění založeným na markerech nástupu ospalosti v reálném čase a individuálních markerech a slibuje zvýšení bezpečnosti na silnicích a v průmyslových areálech.