Hoe de hersenen vermoeidheid 'suggereren': fMRI-dynamiek tijdens het inslapen

Uit een onderzoek van het team van professor II Gaez aan de University of Southern California (USC), gepubliceerd in iScience, blijkt dat er nieuwe objectieve neuroimagingmarkers zijn waarmee slaperigheid in een vroeg stadium kan worden gedetecteerd, nog voordat iemand volledig slaapt.

Taak en relevantie

Microslaap en kortstondig verlies van aandacht leiden tot honderden verkeersongevallen en arbeidsongevallen. Tot nu toe was het moeilijk om het exacte tijdstip van in slaap vallen te voorspellen met behulp van subjectieve vragenlijsten of een elektro-encefalogram. In deze studie onderzochten de onderzoekers of het mogelijk is om het begin van de slaapperiode (SOP) te detecteren aan de hand van veranderingen in het BOLD-signaal in functionele MRI.

Waarom is dit belangrijk?

• Vroege diagnose van vermoeidheid. Identificatie van nauwkeurige neurokaarten helpt bij het ontwikkelen van methoden voor het monitoren van chauffeurs en machinisten, waardoor ongevallen door microslaap worden voorkomen.
• Slaaponderzoek. De dynamiek van langzame BOLD-oscillaties kan een objectieve biomarker worden voor het begin van SOP, als aanvulling op psychologische en elektrofysiologische tests.
• Neuromodulatie: Door neurostimulatie toe te passen op de thalamus of aandachtsnetwerken, zou de waakzaamheid in kritieke situaties verlengd kunnen worden zonder farmacologie.

"We hebben voor het eerst aangetoond dat de overgang naar slaperigheid gepaard gaat met duidelijke, reproduceerbare verschuivingen in langzame fluctuaties van het BOLD-signaal", aldus II Gaez. "Dit opent de weg naar objectieve monitoring van vermoeidheid op basis van neuroimaging."

Experimenteel ontwerp

1. Quorum van vrijwilligers: 20 gezonde deelnemers (10 m/10 f, leeftijd 22-35 jaar) zonder slaapstoornissen.
2. Slapen in de MRI-scanner: proefpersonen lagen met hun ogen dicht en mochten vrij in slaap vallen, terwijl de scanner achtergrondgeluid (80 dB) afspeelde.
   • EEG (eigen elektroden in de scanner),
   • EOM (oogbewegingsamplitude),
   • Bewakingscamera voor oogleden.
3. Definitie van SOP: door de combinatie van halfgesloten oogleden, vertraging van EEG-ritmes en, voor het eerst, door veranderingen in BOLD-parameters.

Gedetailleerde analyse van het BOLD-signaal

• Laagfrequente fluctuaties (0,03–0,07 Hz): in de vroege stadia van SOP nam de amplitude van deze oscillaties met 30–50% toe in
  • thalamus (waakzaamheidscoördinatie),
  • occipitale cortex (visuele verwerking),
  • knooppunten van het default mode network (DMN): mediale prefrontale cortex en PCC.
• Functionele connectiviteit:
  • Thalamus ↔ prefrontale cortex: toegenomen met 20%, wat wijst op een toegenomen ‘vertaling’ van slaapsignalen naar de cortex.
  • Aandachtsnetwerk (DAN): De verbindingen tussen de pariëtale en frontale kwabben waren met 15% verminderd, hetgeen wijst op een verzwakking van de externe oriëntatie.

Correlatie met vermoeidheid

• Individuele verschillen: Deelnemers met minder 24-uurs slaap (<6 uur) vertoonden een eerdere en meer uitgesproken toename van laagfrequente oscillaties.
• Gedragsgegevens: De eerste tekenen van microslaap (vertraagde reactie op een eenvoudige visuele taak op MRI) vielen samen met de piekamplitude van de thalamus–DMN BOLD-as.

Mogelijke toepassingen

1. Monitoring van chauffeur en operator: overdracht van fMRI-bevindingen naar draagbare fMRI- of EEG-apparaten voor vroegtijdige waarschuwing van vermoeidheid.
2. Gepersonaliseerde werkroosters: rekening houdend met de individuele SOP-drempel bij het plannen van diensten en rusttijden, waardoor ongevallen worden verminderd.
3. Slaaptherapie: het testen van de effecten van cafeïne, korte dutjes en neuromodulatie (transcraniële magnetische stimulatie) op het vertragen van BOLD-slaapveranderingen.

Citaten van auteurs

"We hebben voor het eerst aangetoond hoe langzame BOLD-oscillaties in de thalamus en cortex het inslapen voorspellen", aldus prof. Gaez. "Dit opent de weg naar de ontwikkeling van objectieve 'fysiologische ogen' om alertheid te monitoren."

"Onze bevindingen stellen ons in staat om vermoeidheidsmanagement opnieuw te bekijken: het is niet langer voldoende om te vragen: 'Hoe heb je geslapen?' – we moeten de hersenen kunnen 'zien'", voegt co-auteur Dr. Li Jing toe.

De auteurs benadrukken de volgende kernpunten:

• Neurobiologische betrouwbaarheid van markers
  "De toename van laagfrequente fluctuaties van het BOLD-signaal in de thalamus en het passieve modusnetwerk correleert duidelijk met objectieve tekenen van slaperigheid (ooglidsluiting, EEG-vertraging), - merkt II Gaez op. - Dit bewijst dat SOP niet alleen door gedrag kan worden "gezien", maar ook direct door hersenactiviteit."

• Individuele verschillen
  "We ontdekten dat mensen met chronisch slaapgebrek eerder en meer uitgesproken BOLD-verschuivingen vertoonden", zegt Dr. Lee. "Dit opent de mogelijkheid om strategieën voor vermoeidheidsbestrijding te personaliseren: sommigen hebben mogelijk vaker 'microslaap' nodig, terwijl anderen lichttherapie of neurostimulatie nodig hebben."

• Vertaling naar de praktijk
  “De volgende stap is om deze markers aan te passen aan draagbare technologieën (fNCD, droge EEG-caps) om de waakzaamheid van chauffeurs en operators in realtime te monitoren”, voegt prof. Martinez toe.

• Klinische perspectieven
  "De gevonden veranderingen kunnen ook helpen bij het diagnosticeren van slaapstoornissen: slapeloosheid, apneu en narcolepsie hebben verschillende effecten op de vroege fase van SOP, en de BOLD-marker zal helpen bij het differentiëren van deze aandoeningen", concludeert Dr. Singh.

Dit onderzoek maakt de weg vrij voor neurotechnologieën ter voorkoming van ongelukken en verwondingen, die gebaseerd zijn op realtime en individuele markers van het begin van slaperigheid. Ook belooft het wegen en industrieterreinen veiliger te maken.