Нейромеханіка «Еврика» після короткого сну

Від мрії Дмитра Менделєєва про періодичну таблицю до хитрощів Томаса Едісона, які допомагали йому прокидатися, дослідники вже давно припускають, що короткі сну можуть сприяти творчим проривам. Нова робота вчених з Гамбурзького університету не лише фіксує ці «еврика» моменти в реальному часі, але й виявляє точні електроенцефалографічні (ЕЕГ) сигнали, які їх передбачають.

Історичні анекдоти та ранні теорії

Відомо, що Дмитро Менделєєв заснув за своїм столом і побачив у сні таблицю, в якій всі хімічні елементи ідеально поєднані. Томас Едісон вдосконалив цей підхід: він тримав металеву чашку, коли дрімав у кріслі, вважаючи, що її падіння розбудить його в момент осяяння. Такі видатні особистості, як Мері Шеллі, Сальвадор Далі та Микола Тесла, також стверджували, що відчували подібні нічні спалахи геніальності. Проте тільки анекдоти не можуть розкрити нейронну динаміку, що відбувається.

Відтворення ідей Едісона за допомогою чашки

У 2024 році команда Сельї Лако з Університету Сорбонни протестувала метод Едісона, використовуючи 64-канальну ЕЕГ-систему (частота дискретизації 1,000 Гц). Учасники розв’язували математичну задачу з кількома етапами, в якій ховався простий обхідний шлях. Тримаючи різні предмети (ложки, стресові м’ячі, сталеві кулі), вони занурювалися в легкий не-REM сон (N1) перед тим, як впустити предмет. Лако та ін. повідомили про успішність у 70 відсотків у виявленні обхідного шляху безпосередньо після падіння.

Ніколас Шук з Гамбурга спробував провести пряме відтворення, використовуючи ідентичні порцелянові чашки. Несподівано чашки рідко падали, а прості N1 сну не підвищували продуктивність. Натомість учасники, які досягли стадії N2 сну — з характерними спінделями (12–15 Гц) і K-комплексами — продемонстрували найвищі показники відкриттів. Це спонукало до більш детального вивчення безперервних вимірювань ЕЕГ, а не класичних стадій сну.

Експеримент з відстеженням точок і аналізом спектрального нахилу ЕЕГ

Експериментальна установка

Дев’яносто здорових дорослих (вік 18–35 років) виконували візуальне завдання на рух: відстежували маленькі оранжеві та фіолетові точки, які рухалися за годинниковою стрілкою або проти годинникової. Рівні тряски змінювалися, щоб регулювати складність. Після 100 практичних спроб учасники відпочили 20 хвилин під наглядом; контрольна група залишалася бадьорою.

Запис ЕЕГ та обробка сигналів

ЕЕГ записували за допомогою 32-канальної системи BrainVision, електроди були розташовані відповідно до 10–20 системи. Дані були пропущені через смуговий фільтр (0.1–45 Гц), знижені до 500 Гц та очищені від артефактів моргання за допомогою аналізу незалежних компонентів (ICA). Спектральні нахили оцінювалися за допомогою лінійної регресії на логарифмічно-логарифмічному спектрі потужності між 4 і 40 Гц.

Висновки щодо спектрального нахилу та прогнозування осяянь

Учасники, які досягли стадії N2 сну, розв’язали обхідний шлях з кольоровою кодировкою в 82 відсотках випадків, у порівнянні з 61 відсотком для N1 і 55 відсотками для контрольної групи, що відпочивала. Класифікатор випадкового лісу, натренований на характеристиках спектрального нахилу, досягнув 78 відсотків точності в прогнозуванні, хто матиме момент осяяння — перевершивши моделі, що спираються лише на дискретні стадії сну.

Ключовий результат: круті спектральні нахили ЕЕГ (які вказують на сильну домінанту низьких частот) корелювали з осяяннями, що свідчить про те, що миттєві зміни в балансі збудження та гальмування кори сприяють творчій реорганізації.

Інтеграція fMRI з ЕЕГ: до багатофункціонального дослідження сну

Щоб з’ясувати, які ділянки мозку відповідають за осяяння, викликані коротким сном, команда Шука запускає подальше дослідження, використовуючи одночасну високощільну ЕЕГ та 3 Тесла fMRI (TR=2 с, об’єм пікселя=3 мм³). Цей багатофункціональний підхід зв’яже спектральні події ЕЕГ — спінделі, повільні хвилі та зміни нахилу — з BOLD активаціями в гіпокампі, префронтальній корі та таламусі під час сну. Перші пілотні дані (n=10) демонструють транзиторні сплески в гіпокампі, синхронізовані з епохами крутих нахилів ЕЕГ.

Вплив на інтерфейси мозок-комп’ютер та штучний інтелект

Можливість виявлення майбутніх осяянь за допомогою ЕЕГ відкриває нові горизонти для замкнених інтерфейсів мозок-комп’ютер (BCI). У майбутньому носимі головні пов’язки (наприклад, Muse, OpenBCI Ultracortex) можуть в режимі реального часу контролювати спектральний нахил і надавати легку акустичну або електричну стимуляцію для продовження оптимальних мікростанів сну. Що стосується штучного інтелекту, глибокі нейронні мережі можуть бути натреновані на великих наборах даних ЕЕГ-fMRI у хмарі, використовуючи федеративне навчання для збереження конфіденційності та вдосконалення алгоритмів прогнозування осяянь.

Майбутні напрямки та думки експертів

“Перейшовши від грубих стадій сну до безперервних метрик ЕЕГ, ми можемо точно визначити мікродинаміку, яка лежить в основі раптових творчих стрибків”, — зазначає доктор Олена Мартінес, нейробіолог сну в Інституті МакГоверна при MIT. “Це має глибокі наслідки для освіти, нейрореабілітації та дизайну BCI.”

Триваючі дослідження вивчатимуть, як фармакологічна модуляція (наприклад, низькі дози золпідему) та неінвазивна стимуляція (tACS на частотах спінделів) впливають на спектральний нахил і частоту осяянь. Остаточна мета — використати нейропластичність, викликану коротким сном, для консолідації пам’яті та покращення вирішення проблем.