Någonsin undrat vad som händer inne i din hjärna när du vaknar för en dag, en natt och en annan dag, innan du äntligen går och lägger dig? Jo, vi hittade bara.

Det har varit känd under många år att hur sömnig vi är, hur bra vi kan lägga upp nummer, uppmärksamma eller utföra en fungerande minnesuppgift beror på hur länge vi har varit vakna och tid på dagen. Typiskt om vi är vakna över en period på två dagar (en dag, en natt och därefter nästa dag) är de första 16 timmarna of wakefulness - prestanda är bra och förändras inte mycket.

Men då, när vi går in i den "biologiska natttiden", som indikeras av en ökning av hormonmelatonin, försämras prestandan snabbt och når ett minimum runt 6-8am följande morgon. På andra dagen kan prestationen bli lite bättre (men fortfarande långt under dagen) och återgår bara till normala baslinjenivåer efter en god natts sömn.

Den viktigaste egenskapen hos denna prestations tidslinje är att den inte försämras linjärt baserat på hur länge du har varit vaken men istället moduleras vid tidpunkten för dagen. Faktum är att vi nu vet att det inte är faktiskt "tid på dagen" utan "inre biologiska tid på dagen" som orsakar effekten av sömnförlust. På beteendens nivå bestäms hjärnfunktionen av de kombinerade effekterna av cirkadisk rytmicitet och sömnhemostas - sömnstrycket som byggs upp under vakenhet och försvinner under sömnen.

Dygnsrytm

Cirkadisk rytmicitet kan observeras i många aspekter av beteende och fysiologi och genereras av cirkadiska klockor i nästan varje cell i hjärnan och kroppen. Lokalt, dessa rytmer genereras genom en återkopplingsslinga av klockproteiner på klockgener som uttrycker genetisk information som sedan translateras till proteiner

Alla dessa klockor - inklusive hjärnklockor - synkroniseras av en central regissör / ledare belägen i ett hjärnområde som kallas den suprachiasmatiska kärnan i hypotalamusen. Detta område av hjärnan driver också melatoninens rytm i blod och saliv.

Så hur fungerar denna kombinerade verkan av cirkadisk rytmicitet och sömnhemostasis? Tja, under den biologiska dagen genererar cirkadian klockan en varning eller vakenhet som främjar signalen som blir starkare när dagen går och når maximal styrka på kvällen. Det kan tyckas lite paradoxalt, men den här signalen behöver bli starkare då dagen går framåt, därför att sömntrycket ökar ju längre vi är vakna - så måste något hålla oss uppmärksamma.

Men när vi går in i den biologiska natten, släpper den vakenhetsfrämjande cirkadian-signalen ut och blir till en sömnfrämjande signal med en maximal styrka kring 6-8am. Återigen kan det tyckas lite paradoxalt men under normala förhållanden när vi sover på natten, kommer det till nytta, eftersom den sovande promotionssignalen gör det möjligt för oss att fortsätta att sova bra även efter sex eller sju timmar när sömnstrycket har försvunnit.

Problem uppstår när vi håller oss vakna på natten och nästa dag. Under natten är sömntrycket fortsatt högt och ökar till och med för att vi är vakna. Circadian-signalen motstår inte längre detta tryck och vi kämpar för att vara vaken och att utföra. Nästa dag börjar den cirkadiska klockan, som fortfarande stannar om vi sover eller inte, börjar marknadsföra vakna signaler igen så det blir lite lättare att utföra och hålla sig vaken.

Hur ser det ut i hjärnan?

Det här är allt bra och bra och vettigt. Faktum är att denna arbetsmodell är allmänt accepterad från vad vi har sett hända när det gäller beteende. Men hur ser den kombinerade verkan av cirkadisk rytm och sömnhemostas ut i människans hjärna

Vårt team av forskare, från universitetet i Liege och University of Surrey, skannade hjärnorna hos 33-personer med funktionell magnetisk resonansavbildning (fMRI) - vilket ger en detaljerad bild av nivåer av neuronaktivitet i hela hjärnan - som var sömnberövad över två dagar och efter en period av återhämtnings sömn. Vi mättes också melatoninnivåer för att ha en bra indikator på interna biologisk tid, som varierar mellan individer. Våra resultat är publicerad i Science.

För varje deltagare erhölls 13-hjärnbilder medan de utför en enkel reaktionstiduppgift. Tolv hjärnbilder uppsamlades under sömnberövningen ibland präglade av de snabba förändringar som tidigare observerats för prestanda på kvällen och på morgonen. Den trettonde bilden togs efter återhämtning sömn.

Aktivitet i flera hjärnregioner, och i synnerhet subkortiska områden (såsom thalamus, ett centralt centrum för att vidarebefordra information till cortexen) följde ett 24-timmes rytmiskt (cirkadiskt) mönster vars tid förvånansvärt varierade över hjärnregioner. Andra hjärnregioner - särskilt frontala hjärnområden inklusive associeringsområden med högre order - visade en minskning av aktiviteten med tiden vaken följt av en återgång till fördjupningsnivåer efter återhämtning sömn. Vissa hjärnregioner visade ett mönster som var en kombination av ett rytmiskt mönster och en nedgång i samband med tidvakten.

Ännu mer överraskande var dessa effekter av sömnförlust på hjärnaktivitet mycket mer utbredd när deltagarna utförde en enkel reaktionstiduppgift jämfört med en mer komplex minnesrelaterad uppgift.

Vad allt detta betyder är att olika hjärnregioner verkar vara annorlunda påverkade av sömnförlust och cirkadianrytmen, och övergripande visar resultaten att både dessa effekter är genomgripande, men också likheten och lokaliteten hos dessa influenser.

Svansen i hjärnans svar visar hur komplexa mekanismerna är som hjärnan svarar på sömnförlust. Det hjälper oss att förstå hur hjärnan kan behålla prestanda under dag och natt. Dessa resultat kan lugna skiftarbetare och människor som arbetar mycket långa timmar kämpar för att uppmärksamma och koncentrera sig på sitt jobb, särskilt i de tidiga morgontimmarna. Ja, din hjärna kommer att vara annorlunda på natten än under dagen. De föreslår också att om du jobbar sent, kan det vara bättre att pakka upp det, få lite sömn och börja igen på morgonen.

Det kan till och med hjälpa oss att bättre förstå varför många symtom i psykiatriska och neurodegenerativa tillstånd växer och avtar, och varför på morgonen efter en natt utan sömn kämpar vi för att behålla uppmärksamhet, medan det på kvällen inte är något problem.

Om författaren

Derk-Jan Dijk, professor i sömn och fysiologi och chef för Surrey Sleep Research Center, University of Surrey

Pierre Maquet, forskningsdirektör, cyklotronforskning, Université de Liège

Den här artikeln publicerades ursprungligen den Avlyssningen. Läs ursprungliga artikeln.

relaterade böcker

at InnerSelf Market och Amazon