هنگام خواب چه اتفاقی در مغز می افتد؟

وقتی در خواب عمیق هستیم چه اتفاقی در مغز می افتد؟ مراحل مختلف خواب چیست و چه نقشی در یادگیری و شکل گیری حافظه دارند؟ در اضطراب و درد چطور؟ آیا نورون ها و انتقال دهنده های عصبی نیز نقشی دارند؟ اینها سوالاتی است که ما در این ویژگی ویژه با استفاده از آخرین شواهد موجود برطرف خواهیم کرد.

دانشمندان به طور کلی موافقند که چهار مرحله خواب وجود دارد که ما هر شب چندین بار چرخه آنها را طی می کنیم. سه مورد اول خواب به اصطلاح حرکت سریع چشم (REM) را تشکیل می دهند و خواب چهارم خواب REM است – جایی که خواب روی می دهد.

در اولین مرحله غیر REM ، بدن و مغز از بیداری به خواب می روند. مغز نوسانات الکتریکی خود را از الگوی فعال و بیداری امواج مغزی به ریتمی کندتر تغییر می دهد.

تون عضلانی در سراسر بدن شل می شود. این فازی است که در طی آن ممکن است بدن ما هنگام ورود به خواب بچرخد.

مرحله دوم غیر REM شامل کاهش درجه حرارت بدن ، ضربان قلب و تنفس کندتر می شود و امواج مغزی بیشتر کند می شوند. انفجارهای کوتاه فعالیت الکتریکی در مغز ممکن است هنوز مشخصه این مرحله از خواب باشد.

مرحله سوم خواب غیر REM مرحله خواب عمیق است که بدن ما برای شادابی و ترمیم نیاز به بیدار شدن دارد. در این مرحله ضربان قلب ، تنفس و فعالیت مغزی همه به پایین ترین حد خود می رسند.

مرحله REM ، خواب پر از خواب ، چهارمین و آخرین مرحله است. طبق موسسه ملی اختلالات مغزی و عصبی (NINDS) ، REM حدود ۹۰ دقیقه پس از خواب رخ می دهد.

خواب REM بار اول تقریباً ۱۰ دقیقه طول می کشد و با هر چرخه REM افزایش می یابد. حرکت سریع چشم اصطلاحاً گفته می شود زیرا چشم ها به معنای واقعی کلمه به سرعت در پشت پلک های بسته حرکت می کنند.

در طول REM ، تنفس سریعتر و نامنظم تر می شود ، ضربان قلب و فشار خون تا تقریباً بیدار افزایش می یابد. یک واقعیت جالب در مورد خواب REM این است که افراد با افزایش سن کمتر و کمتر آن را تجربه می کنند.

ریتم شبانه روزی و نورون های کنترل کننده خواب

یکی از دو نکته اصلی که خواب را کنترل می کند مجموعه “تغییرات جسمی ، ذهنی و رفتاری است که به دنبال یک چرخه روزانه” – به نام ریتم شبانه روزی. اصطلاح “شبانه روزی” از لاتین circa به معنی “اطراف” است و می میرد ، به معنی “روز”.

ریتم های شبانه روزی به چرخه تاریکی نور پاسخ می دهند و از نظر ژنتیکی از پیش تعیین شده ، حداقل تا حدی ، و توسط اصطلاحاً ساعت های بیولوژیکی تعیین می شوند – پروتئین هایی که در سلول ها در هر بافت و اندام بدن انسان تعامل دارند.

هسته سوپراکیاسماتیک ، ساختاری در مغز است که توسط گروهی متشکل از حدود ۲۰ هزار نورون یا سلول عصبی تشکیل شده است و تمام ساعتهای بیولوژیکی را هماهنگ می کند.

ثانیاً ، هموستاز خواب بیداری همچنین نیاز فرد به خواب را ردیابی می کند و زمان خواب آلودگی را تعیین می کند. به اصطلاح درایو خواب هموستاتیک با زمانی که فرد بیدار می گذرد افزایش می یابد. اثرات مشهود آن بر فعالیت مغز و ارتباط بین سلولهای عصبی به خوبی ثبت شده است.

خواب ، حافظه و یادگیری

زمینه دیگری که مورد توجه بسیاری از تحقیقات قرار گرفته است ، رابطه بین خواب و یادگیری یا تشکیل حافظه است. دانشمندان به طور قطع می دانند که خواب برای یادگیری بسیار مهم است – اما کدام مرحله از خواب مهمتر است؟

آیا یادگیری در مرحله خواب سبک REM رخ می دهد یا مرحله عمیق و غیر REM خواب؟ چگونه سلول های عصبی در مناطق مختلف مغز برای تسهیل یادگیری و تقویت حافظه در مراحل خواب هماهنگ می شوند؟

دو مطالعه که Medical News Today گزارش داده است در روشن شدن این سوالات کمک کرده است.

خواب به یادگیری و انعطاف پذیری مغز کمک می کند

در اولین مطالعه ، آزمایشگران مرحله خواب عمیق و غیر REM شرکت کنندگان در مطالعه را پس از درخواست از آنها برای یادگیری مجموعه ای جدید از حرکات ، دستکاری کردند. دانشمندان فعالیت مغز شرکت کنندگان – به طور خاص قشر حرکتی آنها – را در طول مطالعه کنترل کردند.

این تیم – به سرپرستی دانشمندان مستقر در سوئیس – دریافتند که یک خواب عمیق ناآرام منجر به کاهش قابل توجه کارایی یادگیری می شود. محققان توضیح دادند که نتایج آنها به سیناپس مغز و نقش آنها در یادگیری بستگی دارد.

سیناپس ها اتصالات میکروسکوپی بین سلول های عصبی هستند که همراه با مواد شیمیایی مغز یا انتقال دهنده های عصبی ، انتقال تکانه های الکتریکی از یک نورون به نورون دیگر را تسهیل می کنند. در طول روز ، سیناپس ها در پاسخ به محرک هایی که مغز از محیط دریافت می کند ، روشن می شوند.

اما در هنگام خواب ، فعالیت این سیناپس ها به حالت طبیعی برمی گردد. بدون این دوره ترمیم ، آنها برای مدت طولانی در اوج فعالیت خود هیجان زده می مانند.

این امر با اختلال در نوروپلاستیک مغز تداخل می کند – یعنی توانایی آن در سیم کشی مجدد خود و ایجاد ارتباطات جدید بین نورون ها. پلاستیک عصبی مغز را قادر می سازد تا مهارت های جدید را “انتخاب” کند ، محرک های محیط خود را تغییر دهد و با آنها سازگار شود و در نهایت چیزهای جدید یاد بگیرد.

نیکول وندروت ، استاد گروه علوم و فناوری بهداشت در ETH زوریخ ، و نویسنده اصلی آن ، آنچه در مطالعه جدید آنها رخ داده را توضیح می دهد.

“در منطقه بسیار هیجان زده مغز ، کارایی یادگیری اشباع شده بود و دیگر نمی توانست تغییر کند ، که مانع یادگیری مهارت های حرکتی می شود.”

از نظر نویسندگان ، این اولین مطالعه ای بود که بین علت عمیق خواب و کارایی یادگیری رابطه علیتی نشان داد. پروفسور Reto Huber ، یکی از نویسندگان این مطالعه ، می گوید: “ما روشی را توسعه داده ایم که به ما امکان می دهد عمق خواب را در قسمت خاصی از مغز کاهش دهیم و بنابراین ارتباط علی بین خواب عمیق و کارایی یادگیری را اثبات می کنیم.”

خواب همچنین به ما کمک می کند تا یاد نگیریم

دومین مطالعه ای که MNT گزارش داد مراحل مختلف خواب را بررسی کرد. با این حال ، این تحقیق نشان داد که خواب فقط مغز را قادر به یادگیری چیزهای جدید نمی کند بلکه یادگیری آن را نیز انجام می دهد.

مطالعه اصلی سال ۲۰۱۷ شامل یک کار یادگیری شنیداری بود. محققان توالی صدا را در حالی که شرکت کنندگان در خواب و بیدار بودند پخش کردند.

آنها فعالیت الکتریکی مغز داوطلبان را با استفاده از الکتروانسفالوگرام (EEG) کنترل کردند.

EEG ها همچنین اسپیندل های خواب را که هنگام یادگیری صداهای جدید در مغز خوابیده اتفاق افتادند. اسپیندل های خواب سنبله هایی در فعالیت نوسانی مغز است که تحقیقات قبلی با یادگیری و تحکیم حافظه ارتباط داشته است.

بعد از هر جلسه خواب ، آزمایشگران از شرکت کنندگان خواستند که توالی های صدا را دوباره گوش دهند و آنها را تشخیص دهند. آنها عملکرد یادگیری خود را از طریق آزمون ارزیابی کردند.

دانشمندان با استفاده از قرائت های EEG ، سه مرحله خواب را بررسی کردند: خواب REM ، خواب سبک غیر REM و خواب عمیق غیر REM.

وقتی در هنگام خواب REM یا هنگام خواب غیر REM سبک در معرض اصوات قرار می گرفتند ، شرکت کنندگان در تشخیص آنها هنگام بیداری بهتر بودند. اما ، هنگام قرار گرفتن در معرض صداهای جدید در هنگام خواب عمیق غیر REM ، آنها به سختی می توانند توالی صدا را در هنگام بیداری تشخیص دهند.

همچنین ، در حالی که “نشانگرهای یادگیری EEG در خواب سبک [غیر REM] به راحتی مشاهده می شدند ، اما در خواب عمیق [غیر REM] کاملاً وجود نداشتند.”

علاوه بر این ، و مهمتر از همه ، نه تنها برای شرکت کنندگان تشخیص صداهایی که محققان در خواب عمیق غیر REM برای آنها پخش کرده اند ، دشوار بود ، بلکه آنها یادگیری این صداها را در مقایسه با کاملاً دشوارتر کردند. صداهای جدید

یافته ها نشان می دهد خواب عمیق غیر REM نه برای یادگیری چیزهای جدید بلکه برای سرکوب اطلاعات است.

“[بزرگترین شگفتی از توانایی مغز برای یادگیری نبود. بنابراین ، به نظر می رسد که در هنگام خواب ، ما می توانیم خاطرات جدیدی بسازیم ، یاد بگیریم ، یا عکس این کار را انجام دهیم: خاطرات را سرکوب کنیم و بیاموزیم. “

آنها همچنین به شواهدی اضافه می کنند که خواب عمیق به حفظ پلاستیک عصبی کمک می کند. به طور خاص ، خواب غیر REM سبک (مرحله ۲) ممکن است به تحریک سیناپس کمک کند ، در حالی که خواب غیر REM عمیق ممکن است به آنها کمک کند تا آرام شوند ، یا “در مقیاس پایین”.

نویسندگان می نویسند: “چنین تضادی بین خواب سبک (غیر REM) و عمیق [غیر REM] سازگار با تمایز کیفی بین این دو مرحله خواب در رابطه با انعطاف پذیری عصبی است.” “طبق این دیدگاه ، خواب سبک [غیر REM] طرفدار تقویت سیناپسی است ، در حالی که خواب عمیق [غیر REM] کاهش میزان سیناپسی را ترجیح می دهد.”

آنها اضافه می کنند: “ما هیچ نقش عملکردی برای تأثیر سرکوب اطلاعات ارائه شده در هنگام خواب پیشنهاد نمی کنیم.” “در عوض ، به نظر می رسد یک محصول جانبی اجتناب ناپذیر از کاهش سیناپسی مورد نیاز برای اهداف هموستاتیک است.”

به عبارت دیگر ، خواب عمیق ممکن است به ما کمک کند تا یاد نگیریم یا فراموش کنیم زیرا فراموش کردن یک محصول جانبی طبیعی برای حفظ پلاستیک عصبی است. فراموش کردن محصول جانبی توانایی یادگیری ماست.

وحدت نظریه های خواب

آندریلون و همکارانش همچنین توضیح دادند که یافته های آنها قابل توجه است زیرا به وحدت دو مکتب فکری متناقض کمک می کند. فرد عملکرد اصلی خواب را یادگیری و تلفیق اطلاعات جدید می داند. دیگری آن را دور انداختن اطلاعات بی فایده می داند تا مغز را تحت فشار قرار ندهد.

همانطور که دانشمندان شواهد عصبی و علمی بیشتری درباره نحوه کارکرد خواب جمع می کنند ، آشکار می شود که به طور کلی ، چنین تقسیم بندی ها و دوگانگی ها شاید مفیدترین راه برای دیدن خواب یا نقشی که خواب در یادگیری دارد ، نیست.

به عنوان مثال ، مطالعه ای که فقط در ماه گذشته منتشر شد نشان می دهد که خواب REM و غیر REM برای تقویت یادگیری با هم کار می کنند.

به عبارت دیگر ، خواب غیر REM با بازیابی انعطاف پذیری و انعطاف پذیری عصبی ، عملکرد مهارت های تازه به دست آمده را تقویت می کند ، در حالی که خواب REM این پیشرفت ها را تثبیت کرده و از پاک کردن آنها به یادگیری جدید جلوگیری می کند.

تحقیقات جدید از همان فرضیه آغاز شده است که به نظر می رسد مطالعات فوق برجسته شده است – که خواب باید سیناپس ها و اتصالات عصبی ایجاد شده در طول روز را تقویت کند (برای تقویت دانش جدید و جلوگیری از رونویسی توسط اطلاعات جدید). با این حال ، باید سیناپس ها را “کوچک” یا آرام یا ضعیف کند تا انعطاف پذیری آنها و نوروپلاستیک مغز حفظ شود.

این مطالعه – به رهبری ماساکو تاماکی ، از گروه علوم شناختی ، زبان شناختی و روانشناسی در دانشگاه براون در پراویدنس ، RI – یک کار یادگیری بصری را شامل می شود. محققان به یک گروه از شرکت کنندگان دو وظیفه متفاوت اختصاص دادند ، یکی قبل از خواب و دیگری بعد از خواب. گروه دیگر هیچ وظیفه یادگیری دریافت نکردند.

دانشمندان از اسکنرها و الکترودهای MRI استفاده کردند که آنها روی سر و پلک های شرکت کنندگان اعمال کردند. آنها همچنین از طیف سنجی تشدید مغناطیسی برای اندازه گیری دو ماده شیمیایی مغز درگیر در انعطاف پذیری عصبی (یا انعطاف پذیری سیناپس ها) و تثبیت استفاده کردند.

تاماکی و تیم دریافتند که قابلیت پلاستیک عصبی در هنگام خواب غیر REM افزایش می یابد. این ارتباط با یادگیری بهتر و عملکرد وظیفه بعد از خواب داشت.

در طول خواب REM ، انعطاف پذیری عصبی شرکت کنندگان کاهش یافت ، که با تثبیت آموخته های آنها ارتباط داشت. محققان فرض می کنند که خواب REM به شما کمک می کند تا یادگیری قبل از خواب توسط یادگیری بعدی رونویسی نشود.

بر خلاف خواب غیر REM ، محققان فقط شاهد کاهش شدید انعطاف پذیری در هنگام خواب REM در بین داوطلبانی بودند که وظیفه یادگیری آن را داشتند.

به گفته محققان: “صرفنظر از اینکه یادگیری قبل از خواب رخ داده است ، [در هنگام خواب NREM [غیر REM] [نوروپلاستیک] افزایش یافته است ، اما با افزایش عملکرد پس از خواب نسبت به عملکرد قبل از خواب همراه بوده است. در مقابل ، [پلاستیک عصبی] در طول خواب REM کاهش یافت اما فقط پس از آموزش قبل از خواب ، و کاهش با تثبیت یادگیری قبل از خواب همراه بود. “

“این یافته ها نشان می دهد که خواب NREM باعث ارتقاء سطح انعطاف پذیری می شود ، و منجر به افزایش عملکرد مستقل از یادگیری می شود ، در حالی که خواب REM باعث کاهش انعطاف پذیری می شود تا یادگیری را به روشی خاص یادگیری تثبیت کند.”

نورون هایی که باعث می شوند رویاها را فراموش کنیم

این فقط سیناپس ها نیستند که ممکن است به روند یادگیری در هنگام خواب کمک کنند یا مانع آن شوند بلکه خود نورون ها نیز هستند. برخی از محققان ، نورونهای خاصی را با نقشهای اصلی در شکل گیری حافظه شناسایی کرده اند که به ما کمک می کند تا رویاها را “فراموش کنیم”.

به عنوان مثال ، تحقیقات منتشر شده در مجله Science برخی از این سلولهای عصبی را در ناحیه هیپوکامپ ، منطقه مغز برای تشکیل خاطرات و یادگیری بسیار مهم ، پیدا کرده است.

Akihiro Yamanaka ، Ph.D. ، از دانشگاه ناگویای ژاپن و همکارانش برخی از این سلولهای عصبی را آزمایش کردند که هورمون غلظت ملانین (MCH) تولید می کند و به تنظیم خواب و اشتها کمک می کند.

یاماناکا و تیم آزمایشاتی را روی موش ها انجام دادند ، که نشان داد شلیک این “گروه خاص از سلول های عصبی [تولید کننده MCH] هنگام خواب REM کنترل می کند که آیا مغز اطلاعات جدید را پس از یک خواب خوب به یاد می آورد”.

با حذف ژنتیکی این سلولهای عصبی در موشها پیشنهاد شد که این سلولها “به مغز کمک می کنند تا اطلاعات جدید و احتمالاً غیر مهم را به طور فعال فراموش کند.” علاوه بر این ، یافته ها به نقشی که این نورون ها در فراموشی رویاها دارند اشاره می کنند.

توماس کیلداف ، نویسنده همکار ، دکتر ، مدیر مرکز علوم اعصاب در انستیتوی تحقیقات بین المللی SRI در منلو پارک ، کالیفرنیا ، توضیح می دهد.

“از آنجا که تصور می شود خوابها در درجه اول در هنگام خواب REM اتفاق می افتند ، مرحله خواب هنگام روشن شدن سلولهای MCH ، فعال شدن این سلولها ممکن است از ذخیره شدن محتوای یک رویا در هیپوکامپ جلوگیری کند – بنابراین ، رویا به سرعت فراموش می شود.”

خواب باعث کاهش درد و اضطراب در مغز می شود

علوم اعصاب خواب به شما کمک می کند که چگونه خواب به ما کمک می کند تا یاد بگیریم و فراموش کنیم. همچنین اثرات تسکین دهنده درد و ضد اضطراب خواب را روشن می کند.

به عنوان مثال ، مطالعه منتشر شده در سال گذشته نشان داد که یک منطقه مغزی مرتبط با حساسیت به درد (قشر سوماتس حسی) در شرکت کنندگان کم خواب بیش فعال است. یافته ها حاکی از آن است که کمبود خواب در مدارهای عصبی پردازش درد مغز اختلال ایجاد می کند.

علاوه بر این ، همان مطالعه نشان داد که فعالیت در منطقه هسته هسته مغز پس از یک شب بی خواب کاهش یافته است. هسته accumbens انتقال دهنده عصبی دوپامین را آزاد می کند ، که احساس لذت را افزایش می دهد و احساس درد را کاهش می دهد.

متیو واکر ، نویسنده ارشد مطالعه ، استاد علوم اعصاب و روانشناسی از دانشگاه کالیفرنیا در برکلی ، توضیح می دهد: “از دست دادن خواب نه تنها مناطق احساس درد در مغز را تقویت می کند بلکه مراکز مسکن طبیعی را نیز مسدود می کند.”

این تیم همچنین دریافت که انسولای مغز ، که سیگنال های درد را ارزیابی می کند و پاسخ درد را آماده می کند ، در افراد کم خواب نیز کم عمل است.

بی خوابی با این “سیستم عصبی حیاتی که سیگنالهای درد را ارزیابی و دسته بندی می کند و به داروهای مسکن طبیعی بدن کمک می کند تا مداوا شود” تداخل می کند.

خواب عمیق اضطراب را در ناحیه اصلی مغز برطرف می کند

در مورد اثرات ضد اضطرابی خواب ، اسکن MRI عملکردی و پلی سونوگرام نشان داده است که قشر جلوی پیشانی مغز در مغز مهم است. این منطقه پس از یک شب بی خوابی در برخی از مطالعات که با هدایت همان پروفسور واکر انجام شد ، غیرفعال شد.

تحقیقات قبلی نشان می دهد که قشر جلوی پیشانی داخلی به آرامش اضطراب و کاهش سطح استرس کمک می کند. در تحقیقات پروفسور واکر ، سایر مناطق مرتبط با پردازش احساسات در بیماران کم خواب بیش از حد فعال بودند.

پروفسور واکر توضیح می دهد: “بدون خواب ، تقریباً انگار مغز روی پدال گاز احساسی خیلی سنگین است ، بدون اینکه ترمز کافی داشته باشد.” دانشمندان گزارش دادند ، یک شب بدون خواب باعث افزایش سطح اضطراب تا ۳۰٪ در مطالعه خود شد.

علاوه بر این ، مطالعه نشان داد که سطح اضطراب پس از یک شب خواب کامل کاهش می یابد و این کاهش حتی در شرکت کنندگانی که زمان بیشتری را در مرحله عمیق غیر REM خواب سپری می کنند ، شدیدتر است.

“خواب عمیق مکانیسم پیشانی مغز را تنظیم کرده است که احساسات ما را تنظیم می کند ، واکنش هیجانی و فیزیولوژیکی را کاهش می دهد و از تشدید اضطراب جلوگیری می کند.”