Лаборатория по изучению бедности при Абдул Латиф Джамиль (J‑PAL) Институт Пиковера по обучению и памяти Школа гуманитарных, художественных и социальных наук Шварцмановский колледж вычислительной техники MIT

Короткие всплески «розового шума» могут привести к более восстанавливающему сну

Изображения для скачивания на сайте новостного офиса MIT предоставляются некоммерческим организациям, прессе и широкой публике на условиях лицензии Creative Commons «Атрибуция — Некоммерческое — Без производных». Вы не можете изменять предоставленные изображения, кроме как обрезать их по размеру. При воспроизведении изображений должна указываться строка с указанием авторства; если она не предоставлена…

В течение дня в мозге накапливаются отходы, такие как молочная кислота и изношенные белки. Ночью во время сна волны цереброспинальной жидкости (ЦСЖ) помогают смывать эти отходы, поддерживая здоровье мозга.

В новом исследовании ученые из MIT показали, что они могут усилить эти волны ЦСЖ при помощи коротких всплесков мягкого, шуршащего звука, известного как «розовый шум», во время сна. Эти всплески увеличивают амплитуду медленных электрических волн в мозге, что, в свою очередь, увеличивает волны ЦСЖ.

Исследователи теперь надеются изучить, может ли усиленный поток ЦСЖ способствовать улучшению когнитивных функций, памяти или даже замедлению прогрессирования нейродегенеративных заболеваний, вызываемых накоплением вредных белков, таких как амилоид бета.

«Мы обнаружили, что смогли увеличить величину волны потока ЦСЖ во время сна, чего, насколько нам известно, до сих пор не удавалось. Теперь, когда мы можем усилить поток ЦСЖ во время сна у здоровых взрослых, нам очень хочется применить эту технологию в клинических группах, чтобы посмотреть, какие эффекты мы сможем получить», — говорит Лаура Льюис, ассоциированный профессор электротехники и компьютерных наук имени Афинула А. Мартиноса, член Института медицинской инженерии и науки MIT и Исследовательской лаборатории электроники, а также ассоциированный член Института Пиковера по обучению и памяти.

Льюис — старший автор исследования, которое выходит сегодня в журнале Science Translational Medicine. Ведущий автор статьи — Джошуа Левитт, недавно защитивший докторскую степень в Бостонском университете и будучи гостевым аспирантом в лаборатории Льюис.

Цереброспинальная жидкость — прозрачная жидкость, окружающая и амортизирующая мозг и спинной мозг. Помимо защиты мозга от травм, она также снабжает его питательными веществами, такими как глюкоза, и удаляет отходы, выделяемые нервными клетками при расходовании энергии.

В 2019 году Льюис описала способ использования функциональной магнитно‑резонансной томографии (фМРТ) для измерения волн ЦСЖ, которые проходят внутрь и наружу мозга во время сна. То исследование показало, что эти волны тесно связаны с мозговыми волнами, называемыми медленными волнами, которые ассоциируются с глубоким сном.

В новом исследовании она решила более подробно изучить связь между мозговыми волнами и потоком ЦСЖ, а также проверить, может ли манипуляция мозговыми волнами усилить поток ЦСЖ. Предыдущие работы уже показали, что подача слухового стимула в пике медленных волн может углублять эти волны.

«Вы можете создать больше этих электрических медленных волн посредством слухового стимула, если он подан в нужный момент. Подобно тому, как ребёнка на качелях толкают в нужный момент, чтобы он качался дальше», — говорит Льюис. «Проблема в том: как найти именно этот правильный момент?»

Слуховой стимул, использованный в исследовании, — это 50‑миллисекундный всплеск розового шума. Подобно белому шуму, розовый шум содержит все частоты, слышимые человеческим ухом, но низкие частоты звучат громче, а высокие — тише. Это создаёт сбалансированный, мягкий звук, похожий на ровный дождь или отдалённый водопад.

Чтобы подавать эти всплески в пике медленных мозговых волн, исследователям нужно было измерять активность ЭЭГ каждого участника во время сна. Это оказалось сложной задачей, потому что им также требовалось измерять сигналы фМРТ для контроля потока ЦСЖ, а магнитные поля, применяемые при фМРТ, мешают сигналам ЭЭГ.

Чтобы преодолеть эту проблему, исследователи разработали способ обработки ЭЭГ‑сигналов для удаления помех, вызванных фМРТ, очень быстро — менее чем за 100 миллисекунд. Чтобы компенсировать эту небольшую задержку в измерении ЭЭГ, они также создали алгоритм, способный предсказывать, когда будут происходить пики медленных волн. Это позволило им подавать стимул розового шума в нужный момент.

В тестах на 14 здоровых добровольцах исследователи обнаружили, что поданный ими слуховой стимул — не настолько громкий, чтобы разбудить спящего человека — увеличивал амплитуду как медленных электрических волн, так и волн ЦСЖ во время сна.

Исследования с помощью фМРТ также показали, что медленные волны стимулируют сужение и расширение кровеносных сосудов, позволяя сосудам действовать как насос, выталкивающий ЦСЖ из мозга. Медленные волны наблюдаются только во время сна без быстрого движения глаз (non‑REM) и становятся более выраженными на более глубоких стадиях сна.

Исследователи теперь надеются изучить, может ли усиление потока ЦСЖ помочь людям получать более восстанавливающий сон, особенно людям с бессонницей. Они также планируют выяснить, может ли увеличение потока ЦСЖ и выведение отходов из мозга помочь людям с болезнью Альцгеймера и другими заболеваниями, характеризующимися накоплением вредных белков.

«Удаление отходов из мозга действительно важно для болезни Альцгеймера и других форм деменции, которые отчасти вызваны накоплением молекул вроде амилоида и тау в мозге. Если мы сможем улучшить очистку мозга от отходов, мы, возможно, сможем помочь предотвратить накопление этих бляшек, ведущих к болезни», — говорит Левитт.

Левитт основал компанию, которая надеется разработать устройство, такое как повязка на голову, которое люди могли бы использовать дома для увеличения потока ЦСЖ, подавая слуховой стимул в нужный момент.

Исследование было профинансировано за счёт награды McKnight Scholar, стипендии Sloan, награды Pew Biomedical Scholars, сотрудничества Simons Foundation по пластичности стареющего мозга, Трансформативного исследовательского фонда кафедры электротехники и компьютерных наук MIT, Национального института здравоохранения, Corundum Convergence Institute и стипендии Panasonic Well для ИИ и благополучия.

Исследователи MIT обнаружили, что тщательно синхронизированные всплески розового шума усиливают поток цереброспинальной жидкости, которая выводит отходы из мозга во время сна. «Нам очень важно проверить: работает ли это у людей, которые значительно старше или у тех, у кого появляются признаки начальной стадии неврологического расстройства», — говорит профессор Лаура Льюис.

Новое исследование показало, что «сон под всплески розового шума… кажется, усиливает поток жидкости через мозг и таким образом может улучшать выведение отходов, связанных с такими состояниями, как болезнь Альцгеймера», отмечают авторы публикаций. Исследователи надеются проверить, сможет ли метод замедлить когнитивное снижение у людей при нормальном старении, при лёгком когнитивном нарушении и на ранних стадиях болезни Альцгеймера.

Кафедра электротехники и компьютерных наук Институт медицинской инженерии и науки Национальные институты здравоохранения (NIH) Массачусетский технологический институт 77 Массачусетс-авеню, Кембридж, Массачусетс, США