Как мозг «подсказывает» усталость: динамика fMRI во время засыпания

Исследование команды профессора И. И. Гаеза из Университета Южной Калифорнии (USC), опубликованное в iScience, демонстрирует новые объективные нейровизуализационные маркеры, позволяющие фиксировать переход в состояние дремоты на ранней стадии — ещё до того, как человек полностью уснёт.

Задача и актуальность

Микросон (micro-sleep) и моментальная потеря внимания ведут к сотням аварий на дорогах и промышленных травм. До сих пор предсказать точное время «засыпания» через субъективные опросники или электроэнцефалограмму было сложно. В этой работе исследователи искали, можно ли выявить начало Sleep Onset Period (SOP) по изменениям BOLD-сигнала в функциональном МРТ.

Почему это важно?

• Ранняя диагностика усталости. Выявление точных нейрокарт помогает разрабатывать методы мониторинга водителей и операторов, предупреждая аварии из-за микро-сна.
• Исследование сна. Динамика медленных BOLD-колебаний может стать объективным биомаркером начала SOP, дополняя психологические и электрофизиологические тесты.
• Нейромодуляция. Целевое влияние на таламус или сети внимания с помощью нейростимуляции могло бы продлевать бодрствование в критических ситуациях без фармакологии.

«Мы впервые показали, что переход к дремоте сопровождается чёткими, воспроизводимыми сдвигами в медленных флюктуациях BOLD-сигнала, — комментирует И. И. Гаез. — Это открывает путь к объективному мониторингу усталости на основе нейровизуализации».

Дизайн эксперимента

1. Кворум добровольцев: 20 здоровых участников (10 м/10 ж, возраст 22–35 лет) без нарушений сна.
2. Сон в МРТ-сканере: испытуемые лежали с закрытыми глазами, им позволяли свободно засыпать под фоновый шум сканера (80 дБ). Одновременно регистрировалась
   • ЭЕГ (собственные электроды в сканере),
   • ЭОМ (амплитуда движений глаз),
   • Видеокамера слежения за веками.
3. Определение SOP: по сочетанию полузакрытых век, замедления ЭЭГ-ритмов и впервые по изменению BOLD-параметров.

Детальный анализ BOLD-сигнала

• Низкочастотные флуктуации (0,03–0,07 Гц): на ранних этапах SOP амплитуда этих колебаний выросла на 30–50 % в
  • таламусе (координация бодрствования),
  • затылочной коре (визуальная обработка),
  • узлах сети пассивного режима (DMN): медиальная префронтальная кора и PCC.
• Функциональная связность:
  • Таламус ↔ префронтальная кора: росла на 20 %, что указывает на усиленный «перевод» сигналов сна в кору.
  • Сеть внимания (DAN): связи между париетальной и фронтальной долями снижались на 15 %, отражая ослабление внешней ориентировки.

Корреляция с усталостью

• Индивидуальные различия: участники с меньшим суточным сном (<6 ч) демонстрировали раннее и более выраженное усиление низкочастотных колебаний.
• Поведенческие данные: первые признаки микро-засыпания (задержка реакции на простую визуальную задачу в МРТ) совпадали с пиком амплитуды BOLD-оси таламус–DMN.

Возможные приложения

1. Мониторинг водителей и операторов: перенос fMRI-открытий на портативные фНЧДС- или ЭЭГ-устройства для раннего предупреждения усталости.
2. Персонализированные графики труда: учёт индивидуального «порога» SOP при планировании смен и отдыха, снижение аварийности.
3. Терапия сна: тестирование влияния кофеина, коротких «типа-дрем» и нейромодуляции (транскраниальная магнитная стимуляция) на замедление BOLD-сдвигов.

Цитаты авторов

«Мы впервые показали, как медленные BOLD-колебания в таламусе и коре предвещают погружение в сон, — комментирует проф. Гаез. — Это открывает путь к разработке объективных «физиологических глаз» для контроля за состоянием бдительности» .

«Наши результаты позволяют переосмыслить управление усталостью: больше не достаточно спросить «Как вы выспались?» — нужно уметь «видеть» мозг», — добавляет соавтор д-р Ли Цзин.

Авторы подчёркивают следующие ключевые моменты:

• Нейробиологическая достоверность маркёров
  «Усиление низкочастотных флуктуаций BOLD-сигнала в таламусе и сети пассивного режима чётко коррелирует с объективными признаками дремоты (закрытие век, замедление ЭЭГ), — отмечает И. И. Гаез. — Это доказывает, что SOP можно «увидеть» не только по поведению, но и напрямую по активности мозга» .

• Индивидуальные различия
  «Мы обнаружили, что люди с хроническим недосыпанием демонстрируют раньше и сильнее выраженные BOLD-сдвиги, — говорит д-р Ли. — Это открывает возможность персонализировать стратегии борьбы с усталостью: одни будут нуждаться в более частых «микроспах», другие — в светотерапии или нейростимуляции» .

• Перевод в практику
  «Следующий шаг — адаптировать эти маркёры для портативных технологий (фНЧДС, сухие ЭЭГ-каппы), чтобы мониторить бдительность в реальном времени у водителей и операторов», — добавляет проф. Мартинес.

• Клинические перспективы
  «Обнаруженные изменения могут помочь и в диагностике нарушений сна: бессонница, апноэ и нарколепсия по-разному воздействуют на раннюю фазу SOP, и BOLD-маркер позволит дифференцировать эти состояния», — резюмирует д-р Сингх.

Это исследование прокладывает дорогу к нейротехнологиям предотвращения аварй и травм, основанным на реальном времени и индивидуальных маркерах начала дремоты, и обещает сделать дороги и промышленные объекты безопаснее.