Wrzeciona senne w zapisie EEG a zdolności intelektualne śpiącego - czy istnieje bezpośredni związek?

Wrzeciona senne w zapisie EEG a zdolności intelektualne śpiącego - czy istnieje bezpośredni związek?

Sen jest stanem fizjologicznym, który charakteryzuje się przyjęciem postawy spoczynku, zaprzestaniem aktywności ruchowej, zmniejszoną odpowiedzią na bodźce zewnętrzne oraz utratą świadomego kontaktu z otoczeniem. Obok czuwania jest podstawowym stanem świadomości. W trakcie każdego cyklu snu występują sen NREM i sen REM o odmiennej charakterystyce neurologicznej i psychologicznej (Wichniak, 2011).

Przełom w wiedzy o śnie nauka zawdzięcza badaniom neurofizjologicznym, rozpoczętym po wprowadzeniu w 1929 roku przez Hansa Bergera techniki badania elektroencefalograficznego (EEG). Elektroencefalograf to urządzenie służące do rejestracji aktywności bioelektrycznej mózgu za pomocą elektrod umieszczonych na powierzchni głowy. Podczas dokonywania pomiaru rejestruje się uśrednioną aktywność populacji komórek nerwowych znajdujących się w sąsiedztwie danej elektrody. Rejestrowany sygnał jest następnie wzmacniany i zapisywany, a na podstawie charakterystyki fal EEG, ich amplitudy i częstotliwości można wyodrębnić poszczególne fazy snu (Kalat, 2006).

Przedmiotem zainteresowania autorów pracy zatytułowanej „Sleep Spindles and Intellectual Ability: Epiphenomenon or Directly Related?” (Związek pomiędzy wrzecionami sennymi a zdolnościami intelektualnymi: zjawisko wtórne czy bezpośrednia relacja?) jest sen bez szybkich ruchów gałek ocznych (NREM - skrót od angielskiego non rapid eye movement sleep). Wyróżnia się trzy stadia, charakterystyczne dla snu NREM:

  • N1 - stadium przechodzenia z czuwania w sen, w którym dominują nieregularne fale o niskiej amplitudzie i częstotliwości 4-7 Hz (fale theta). Jest to sen lekki, który łatwo ulega zakłóceniu.
  • N2 - oprócz fal theta występują elementy charakterystyczne dla snu NREM, takie jak  wspomniane już wrzeciona senne i zespoły K. Wrzeciona senne składają się z fal o częstotliwości 12-14 Hz, trwających około pół sekundy każda, natomiast zespół K utworzony jest przez ujemną falę o dużej amplitudzie, po której następuje mniejsza i wolniejsza fala dodatnia.
  • N3 - inaczej sen wolnofalowy (SWS, od angielskiego slow wave sleep) - charakteryzuje się występowaniem fal delta, o częstotliwości około 0,5-4 Hz, którym towarzyszą nieliczne wrzeciona senne - jest ich znacznie mniej niż w stadium N2 (www.howsleepworks.com).

Wrzeciona senne to neuronalne oscylacje o szczególnym charakterze - zostały bowiem zidentyfikowane przez badaczy jako biologiczny marker inteligencji (czyli szeroko rozumianych zdolności poznawczych ocenianych przy pomocy standardowych testów na inteligencję). W sposób szczególny wiążą się ze zdolnością człowieka do rozumowania i rozwiązywania nowych problemów dzięki zastosowaniu zasad logicznego myślenia oraz posiadanej wiedzy i umiejętności. Wykazano, że mają również związek z utrwalaniem nowo nabytych informacji - za ich pośrednictwem w fazie NREM zachodzi konsolidacja pamięci, zarówno proceduralnej, jak i deklaratywnej.

Wrzeciona senne odpowiadają również za ochronę snu przed zakłócającymi bodźcami ze środowiska zewnętrznego - im więcej wrzecion obserwowano u śpiącej osoby, tym słabszy był wpływ niesprzyjającego otoczenia na ciągłość snu. W okresie występowania wrzecion sennych, i tylko wtedy, mózg nie wykazywał żadnych reakcji na sygnały dźwiękowe. Z kolei w innych badaniach zaobserwowano, że wrzeciona zarejestrowane podczas normalnej, spokojnej nocy pozwalały przewidywać jakość snu kolejnej nocy, tym razem w hałaśliwym środowisku.

Te i podobne obserwacje poczynione przez innych badaczy skłoniły autorów pracy będącej punktem wyjścia dla niniejszego tekstu do sformułowania przypuszczenia, że wrzeciona senne występujące podczas prawidłowego, niezakłóconego snu mogą być powiązane z jakością snu. Istnieją również przesłanki pozwalające przypuszczać, że jakość snu wywiera wpływ na wyniki testów oceniających zdolności poznawcze, takie jak pamięć, uwaga i funkcje wykonawcze. Jednym z celów omawianego badania było zatem znalezienie odpowiedzi na pytanie, czy jakość snu może częściowo tłumaczyć lub pośredniczyć w relacji pomiędzy wrzecionami sennymi a zdolnościami poznawczymi.

Kolejną istotną właściwością wrzecion sennych jest fakt, iż podlegają one modulacji przez rytmy okołodobowe. Wydaje się również, że rytmy te, a dokładniej związane z nimi indywidualne tendencje do odpoczynku i aktywności w określonych porach doby (w języku potocznym mówi się o „skowronkach”, bardziej aktywnych w godzinach porannych, i „sowach”, preferujących aktywność nocną) mogą być również powiązane ze zdolnościami poznawczymi. Istnieje jednakże niewiele dowodów potwierdzających tę relację, a wyniki badań są niejasne. Kolejnym celem badania zaprezentowanego w omawianym tu artykule było stwierdzenie, czy tendencje związane z rytmem okołodobowym (przynależność do „skowronków” lub „sów”) mogą częściowo wyjaśniać związek pomiędzy wrzecionami sennymi a zdolnościami poznawczymi.

Dotychczasowe badania skupiały się na powszechnie uznanym związku pomiędzy wrzecionami sennymi a potencjałem intelektualnym jednostki. Tymczasem autorzy omawianej pracy postanowili znaleźć odpowiedź na pytanie, czy wspomniana relacja wrzeciona senne - zdolności poznawcze (takie jak rozumowanie, zdolności werbalne i pamięć krótkoterminowa) ma charakter bezpośredni, czy też jest częściowo lub w całości warunkowana przez inne zmienne, a konkretnie: jakość snu i/lub tendencje związane z aktywnością w określonych porach doby. 

W badaniu wzięło udział 27 młodych, zdrowych osób (w tym 18 kobiet) w wieku 19-40 lat. Wszyscy wykazywali typowe wzorce snu (od godziny 11 wieczorem do 9 rano), spełniali również następujące kryteria: praca w systemie bez zmianowym, niestosowanie jakichkolwiek leków, brak w wywiadzie urazów głowy lub napadów drgawkowych, prawidłowe BMI (<25), brak uzależnienia od alkoholu lub nikotyny. Aby zostać włączonym do badania, potencjalni uczestnicy musieli również uzyskać mniej niż 10 punktów na Skali Depresji i Skali Lęku Becka, oraz nie wykazywać żadnych spośród zaburzeń snu, uwzględnionych w Kwestionariuszu Zaburzeń Snu. Pierwszej nocy wszyscy uczestnicy zostali poddani skriningowemu badaniu polisomnograficznemu, którego celem była z jednej strony aklimatyzacja badanych, z drugiej - wykluczenie ewentualnych zaburzeń snu. Badanie obejmowało rejestrację następujących parametrów: zapis EEG i EKG, oddychanie, aktywność mięśni nóg oraz saturacja (wysycenie krwi tlenem).

Kolejnej nocy, dwa do siedmiu dni po badaniu skriningowym, polisomnografia u badanych została wykonana powtórnie. Bezpośrednio przed zaśnięciem wszyscy uczestnicy zostali poproszeni o zaznaczenie na odpowiednich skalach stopnia odczuwanej przez nich senności oraz o wypełnienie kwestionariusza pozwalającego określić, czy dana osoba wykazuje większą aktywność w godzinach porannych, czy wieczornych. Po przebudzeniu, kiedy wraz z nocą dobiegło końca badanie polisomnograficzne, wszyscy uczestnicy mieli za zadanie rozwiązać określone testy na inteligencję (rozwiązywali je za pośrednictwem Internetu pomiędzy godziną 9 rano a 9 wieczorem).

Wyniki uzyskane przez autorów omawianej pracy nie odbiegały od wyników dotychczas przeprowadzonych badań. Potwierdziły one istnienie związku pomiędzy wrzecionami  sennymi występującymi w stadium NREM2 i SWS, a zdolnościami rozumowania, wykluczając jednocześnie relację wrzeciona senne - zdolności werbalne i pamięć krótkoterminowa. Szczególnie silny i stały związek zachodził pomiędzy amplitudą wrzecion sennych a zdolnościami dedukcyjnymi ocenianymi w odpowiednim teście i odzwierciedlającymi inteligencję płynną (wrodzoną). Pomimo zaobserwowanych różnic w charakterystyce wrzecion pomiędzy fazą NREM2 a SWS, relacja pomiędzy wrzecionami a zdolnościami rozumowania w obu stadiach snu była podobna, co wskazuje na to, że wpływ wrzecion na funkcjonowanie intelektualne jest niezależny od stadium snu, w którym wrzeciona te występują.

Z kolei dająca się zaobserwować bardzo wysoka pozytywna korelacja pomiędzy wrzecionami a ilorazem inteligencji (u osób z IQ wyższym od przeciętnego) sugeruje, że efektywna generacja w mózgu prawidłowych wrzecion sennych ma szansę sprzyjać wysoce rozwiniętym zdolnościom poznawczym. Z drugiej strony, niewystarczające lub nieprawidłowe wytwarzanie wrzecion może współwystępować z upośledzeniem intelektualnym.

Wbrew wcześniejszym przypuszczeniom w badaniu nie zidentyfikowano istotnego związku pomiędzy miernikami jakości snu a zdolnościami poznawczymi. Udało się natomiast zaobserwować wpływ rytmów okołodobowych na pamięć krótkotrwałą, przy czym osoby preferujące aktywność w godzinach wieczornych uzyskiwały lepsze wyniki w testach badających funkcjonowanie STM (short term memory). Co zaskakujące i niezgodne z oczekiwaniami badaczy, nie znaleziono żadnego związku pomiędzy wrzecionami sennymi a jakością snu lub indywidualnym wzorcem aktywności dobowej.

Wyniki uzyskane przez autorów badania omawianego w niniejszym tekście pozwoliły przede wszystkim odpowiedzieć na pytanie zawarte w tytule pracy: czy istnieje bezpośredni związek pomiędzy wrzecionami sennymi a potencjałem intelektualnym, czy też związek ten podlega modulacji lub jest wyłącznie efektem działania czynników zewnętrznych, takich jak jakość snu lub rytmy okołodobowe? Otóż wyniki badania pozwalają stwierdzić, że ani jakość snu ani indywidualne wzorce aktywności dobowej nie są istotnie skorelowane z wrzecionami sennymi, a tym samym nie pośredniczą w relacji pomiędzy zdolnościami rozumowania a wrzecionami sennymi występującymi w stadium NREM2 i SWS. Innymi słowy, omawiane badanie jako pierwsze udowadnia, że relacja wrzeciona senne - zdolności rozumowania (lecz nie STM i zdolności werbalne) jest relacją bezpośrednią, która nie podlega wpływom czynników modulujących wrzeciona: jakości snu i rytmów okołodobowych. Tym samym wrzeciona senne mogą służyć jako biologiczny marker zdolności intelektualnych ocenianych w testach wykorzystujących umiejętność rozumowania (identyfikacja złożonych wzorów i relacji, zastosowanie logicznego myślenia).

 

Bibliografia

Fang, Z., Sergeeva, V., Ray, L. B., Viczko, J., Owen, A. M., Fogel, S. M. (2017). Sleep Spindles and Intellectual Ability: Epiphenomenon or Directly Related? Journal of Cognitive Neuroscience X:Y, 1-16, doi: 10.1162/jocn_a_01034

Kalat, J. W. (2006). Fazy snu i ich mechanizmy mózgowe. W: J. Kaiser (red.) Biologiczne podstawy psychologii (271 - 272). Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN

Niezgoda, A. (2014). Badania elektrofizjologiczne w praktyce neurologicznej. W: W. Kozubski, P. Liberski (red.) Neurologia. Podręcznik dla studentów medycyny. Tom 1 (163 -165). Warszawa: Wydawnictwo Lekarskie PZWL

Wichniak, A. (2011). Zaburzenia snu. W: M. Jarema, J. Rabe - Jabłońska (red.) Psychiatria. Podręcznik dla studentów medycyny (289 - 292). Warszawa: Wydawnictwo Lekarskie PZWL

http://www.howsleepworks.com/types_nonrem.html. Pobrano 1 maja 2017

 

 

Pojęcie empatii jest z pewnością jednym z najczęściej dyskutowanych we współczesnej psychologii. Wszechobecna w nauce, kultur... czytaj więcej
Część z nas zna dyskomfort spowodowany wiązaniem włosów w ciasny i wysoki kucyk lub wkładaniem na głowę czepka pływackiego. S... czytaj więcej
W maju bieżącego roku na łamach prestiżowego czasopisma ”Brain” przedstawiono nowatorskie badana ukazujące możliwość leczenia... czytaj więcej
Umysł i ciało Choć zachodnia medycyna nie zawsze akceptowała założenie o istotnym wpływie czynników behawioralnych, takich ja... czytaj więcej