Βρείτε μας στο Google News. Πατήστε εδώ!Ύπνος: Ο ύπνος είναι μια θεμελιώδης ανάγκη, όπως το φαγητό ή το νερό. «Θα πεθάνεις χωρίς αυτόν», είπε ο Κιθ Χένγκεν, επίκουρος καθηγητής βιολογίας στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον στο Σεντ Λούις. Τι επιτυγχάνει όμως στην πραγματικότητα ο ύπνος; Για χρόνια, το καλύτερο που θα μπορούσαν να πουν οι ερευνητές είναι ότι ο ύπνος μειώνει την υπνηλία – σχεδόν μια ικανοποιητική εξήγηση για μια βασική απαίτηση της ζωής. Αλλά συγχωνεύοντας έννοιες από τους τομείς της φυσικής και της βιολογίας, ο Hengen και μια ομάδα ερευνητών Τεχνών & Επιστημών έχουν κατασκευάσει μια θεωρία που θα μπορούσε να εξηγήσει τόσο την έννοια του ύπνου όσο και την πολυπλοκότητα του εγκεφάλου.
Όπως αναφέρθηκε σε μια νέα μελέτη που δημοσιεύτηκε στο Nature Neuroscience, παρακολούθησαν την εγκεφαλική δραστηριότητα των αρουραίων που κοιμόντουσαν για να υποστηρίξουν ότι ο εγκέφαλος χρειάζεται να επαναφέρει τακτικά το λειτουργικό του σύστημα για να φτάσει στην «κρισιμότητα», μια κατάσταση που βελτιστοποιεί τη σκέψη και την επεξεργασία. «Ο εγκέφαλος είναι σαν ένας βιολογικός υπολογιστής», είπε ο Hengen. “Η μνήμη και η εμπειρία κατά τη διάρκεια της αφύπνισης αλλάζουν τον κώδικα λίγο-λίγο, απομακρύνοντας σιγά-σιγά το μεγαλύτερο σύστημα από την ιδανική κατάσταση. Ο κεντρικός σκοπός του ύπνου είναι να αποκαταστήσει τη βέλτιστη υπολογιστική κατάσταση.” Οι συν-συγγραφείς της εργασίας περιλαμβάνουν τον Ralf Wessel, καθηγητή φυσικής, τον Yifan Xu, μεταπτυχιακό φοιτητή στη βιολογία που σπουδάζει νευροεπιστήμη, και τον Aidan Schneider, μεταπτυχιακό φοιτητή στο πρόγραμμα Υπολογιστική & Συστημική Βιολογία Computational & Systems Biology, όλα στις Τέχνες και τις Επιστήμες. Ο Wessel είπε ότι οι φυσικοί σκέφτονται την κρισιμότητα για περισσότερα από 30 χρόνια, αλλά ποτέ δεν ονειρεύτηκαν ότι η εργασία θα επηρεάσει τον ύπνο. Στον κόσμο της φυσικής, η κρισιμότητα περιγράφει ένα πολύπλοκο σύστημα που υπάρχει στο σημείο καμπής μεταξύ τάξης και χάους. “Στο ένα άκρο, όλα είναι εντελώς κανονικά. Στο άλλο άκρο, όλα είναι τυχαία”, είπε ο Wessel. Η κρισιμότητα μεγιστοποιεί την κωδικοποίηση και την επεξεργασία των πληροφοριών, καθιστώντας την ελκυστικό υποψήφιο για μια γενική αρχή της νευροβιολογίας. Σε μια μελέτη του 2019, οι Hengen και Wessel διαπίστωσαν ότι ο εγκέφαλος εργάζεται ενεργά για να διατηρήσει την κρισιμότητα. Στη νέα εργασία, η ομάδα παρέχει τις πρώτες άμεσες αποδείξεις ότι ο ύπνος αποκαθιστά την υπολογιστική ισχύ του εγκεφάλου. Είναι μια ριζική απόκλιση από τη μακροχρόνια υπόθεση ότι ο ύπνος πρέπει με κάποιο τρόπο να αναπληρώνει μυστηριώδεις και άγνωστες χημικές ουσίες που εξαντλούνται κατά τις ώρες της εγρήγορσης. Μετά την εργασία τους του 2019, οι Hengen και Wessel θεώρησαν ότι η μάθηση, η σκέψη και η εγρήγορση πρέπει να απομακρύνουν τον εγκέφαλο από την κρισιμότητα και ότι ο ύπνος είναι τέλεια τοποθετημένος για να επαναφέρει το σύστημα. «Συνειδητοποιήσαμε ότι αυτή θα ήταν μια πραγματικά δροσερή και διαισθητική εξήγηση για τον βασικό σκοπό του ύπνου», είπε ο Hengen. “Ο ύπνος είναι μια λύση σε επίπεδο συστήματος σε ένα πρόβλημα σε επίπεδο συστήματος.”
Καταρράκτες εγκεφάλου
Για να δοκιμάσουν τη θεωρία τους σχετικά με τον ρόλο της κρισιμότητας στον ύπνο, οι ερευνητές παρακολούθησαν την αύξηση πολλών νευρώνων στον εγκέφαλο νεαρών αρουραίων καθώς έκαναν τις συνήθεις ρουτίνες ύπνου και αφύπνισης. «Μπορείτε να παρακολουθήσετε αυτούς τους μικρούς καταρράκτες δραστηριότητας μέσω του νευρωνικού δικτύου», είπε ο Hengen. Είπε ότι αυτοί οι καταρράκτες, που ονομάζονται επίσης νευρικές χιονοστιβάδες, αντικατοπτρίζουν τον τρόπο με τον οποίο οι πληροφορίες ρέουν μέσω του εγκεφάλου. “Στην κρισιμότητα, μπορούν να συμβούν χιονοστιβάδες όλων των μεγεθών και διαρκειών. Μακριά από την κρισιμότητα, το σύστημα γίνεται προκατειλημμένο προς μικρές μόνο χιονοστιβάδες ή μόνο μεγάλες χιονοστιβάδες. Αυτό είναι ανάλογο με το να γράφεις ένα βιβλίο και να μπορείς να χρησιμοποιείς μόνο μικρές ή μεγάλες λέξεις.” Όπως είχε προβλεφθεί, χιονοστιβάδες όλων των μεγεθών σημειώθηκαν στους αρουραίους που μόλις είχαν ξυπνήσει από τον ύπνο αποκατάστασης. Κατά τη διάρκεια της αφύπνισης, οι καταρράκτες άρχισαν να μετατοπίζονται προς όλο και μικρότερα μεγέθη. Οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι μπορούσαν να προβλέψουν πότε οι αρουραίοι επρόκειτο να κοιμηθούν ή να ξυπνήσουν παρακολουθώντας την κατανομή των χιονοστιβάδων. Όταν τα μεγέθη του καταρράκτη μειώθηκαν σε ένα ορισμένο σημείο, ο ύπνος δεν ήταν πολύ μακριά. «Τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι κάθε στιγμή της εγρήγορσης απομακρύνει τα σχετικά κυκλώματα του εγκεφάλου από την κρισιμότητα και ο ύπνος βοηθά τον εγκέφαλο να επανέλθει», είπε ο Hengen.
Η φυσική συναντά τη βιολογία
Όταν οι φυσικοί ανέπτυξαν για πρώτη φορά την έννοια της κρισιμότητας στα τέλη της δεκαετίας του 1980, κοίταζαν σωρούς άμμου σε ένα πλέγμα σαν σκακιέρα, ένα σενάριο που φαινομενικά απέχει πολύ από τους εγκεφάλους. Αλλά αυτοί οι σωροί άμμου παρείχαν μια σημαντική εικόνα, είπε ο Wessel. Εάν πέσουν χιλιάδες κόκκοι στο πλέγμα ακολουθώντας απλούς κανόνες, οι σωροί φτάνουν γρήγορα σε μια κρίσιμη κατάσταση όπου αρχίζουν να συμβαίνουν ενδιαφέροντα πράγματα. Οι μεγάλες και μικρές χιονοστιβάδες μπορούν να ξεκινήσουν χωρίς προειδοποίηση και οι σωροί σε ένα τετράγωνο αρχίζουν να χύνονται στα άλλα. «Όλο το σύστημα οργανώνεται σε κάτι εξαιρετικά περίπλοκο», είπε. Ο Wessel είπε ότι οι νευρικές χιονοστιβάδες που συμβαίνουν στον εγκέφαλο μοιάζουν πολύ με τις χιονοστιβάδες άμμου σε ένα πλέγμα. Σε κάθε περίπτωση, οι καταρράκτες είναι το σήμα κατατεθέν ενός συστήματος που έχει φτάσει στην πιο περίπλοκη κατάστασή του. Σύμφωνα με τον Hengen, κάθε νευρώνας είναι σαν ένας μεμονωμένος κόκκος άμμου ακολουθώντας πολύ βασικούς κανόνες. Οι νευρώνες είναι ουσιαστικά διακόπτες ενεργοποίησης/απενεργοποίησης που αποφασίζουν εάν θα πυροδοτηθούν ή όχι με βάση απλές εισόδους. Εάν δισεκατομμύρια νευρώνες μπορούν να φτάσουν στην κρισιμότητα – το γλυκό σημείο μεταξύ της υπερβολικής τάξης και του υπερβολικού χάους – μπορούν να συνεργαστούν για να σχηματίσουν κάτι περίπλοκο και θαυμαστό. «Η κρισιμότητα μεγιστοποιεί μια σειρά από χαρακτηριστικά που ακούγονται πολύ επιθυμητά για έναν εγκέφαλο», είπε ο Hengen. Η νέα μελέτη ήταν μια διεπιστημονική προσπάθεια. Οι Hengen, Xu και Schneider σχεδίασαν τα πειράματα και παρείχαν τα δεδομένα, ενώ ο Wessel εντάχθηκε στην ομάδα για να εφαρμόσει τις μαθηματικές εξισώσεις που είναι απαραίτητες για την κατανόηση του ύπνου στο πλαίσιο της κρισιμότητας. «Είναι μια όμορφη συνεργασία μεταξύ φυσικής και βιολογίας», είπε ο Wessel.
