Forscher im pazifischen Nordwesten erforschen die Geheimnisse einer guten Nachtruhe

Frühe Prototypen jeder Technologie können ein wenig penibel sein. Fragen Sie einfach Sofia Fluke, eine Testingenieurin bei der Labor für Elektrophysiologie des Gehirns bei Eugen.

Sie sitzt mit einem kleinen, orangefarbenen Schlitzschraubendreher über ihren Schreibtisch gebeugt und versucht, den Deckel eines Elektronikgehäuses von der Größe eines Kartenspiels zu ersetzen.

Die Schraube wackelt beim Drehen.

„Es fällt leicht heraus, wenn man nicht sehr, sehr langsam ist“, sagt sie. „Es ist ein sehr heikler Prozess, weil wir das alles einfach selbst gemacht haben.“

Das Elektronikgehäuse beherbergt das Gehirn eines neuen Geräts namens WISP – oder Wireless Interface Sensor Pod.

Seine DIY-Ursprünge sind ziemlich offensichtlich. Das Gehäuse wird an etwas befestigt, das wie ein Stirnlampenband aussieht. Kabelgebundene Elektroden baumeln an den Seiten und andere sind in einer Reißverschlusstasche auf der Vorderseite untergebracht.

Trotz der Eleganz dieses frühen Designs ist die Technologie selbst alles andere als.

Das WISP hat das Potenzial, die Art und Weise, wie wir über Schlaf denken, zu verändern.

Das WISP ist ein Stirnband, das zum Tragen beim Schlafen entwickelt wurde. Es nutzt Gehirnwellen, um Ihnen eine bessere Nachtruhe zu ermöglichen.

Einer von fünf Menschen in den Vereinigten Staaten leidet laut den Centers for Disease Control and Prevention an chronischen Schlafproblemen. Und für viele von ihnen – darunter neue Eltern, Nachtschichtarbeiter, Soldaten und fast alle, die älter werden – kann das WISP schließlich Linderung von Schlafentzug und Schlafstörungen bringen.

„Früher dachten wir, dass wir das Schlafbedürfnis minimieren oder überwinden könnten. Aber in den letzten Jahrzehnten haben wir begonnen zu verstehen, wie wichtig es ist“, sagte er Oregon Health and Science University Neurologin Miranda Lim.

Und es geht nicht nur darum, wie lange wir schlafen. Qualität zählt.

„Pharmaunternehmen suchen seit Jahrzehnten nach dieser „magischen Pille“ oder dem „Heiligen Gral“. Sie haben Medikamente da draußen, die die Gesamtschlafdauer verlängern, aber viele von ihnen haben Nebenwirkungen“, sagte sie. „Die gehen nicht auf die Schlafqualität ein.“

Das Ziel von Lim und dem Team von BEL ist es, mit WISP eine Schlafphase zu beeinflussen, die als „Tiefschlaf“ oder Slow-Wave-Schlaf bekannt ist.

„Schlafwissenschaftler glauben seit vielen Jahren, dass die erholsamste Schlafphase der Tiefschlaf ist, der Schlaf, den Sie normalerweise in der ersten Hälfte der Nacht sehen, sobald Ihr Kopf das Kissen berührt“, sagte Lim.

Gehirnwellen sind normalerweise chaotisch. Neuronen feuern in verschiedenen Teilen Ihres Gehirns, während Sie sprechen, sich bewegen, träumen und Probleme lösen. Es ist eine gezielte Kakophonie. Aber während des Tiefschlafs verlangsamen und synchronisieren sich Ihre Gehirnwellen und pulsieren in langsamen Schwingungen.

Das WISP erkennt, wann Ihr Gehirn gerade beginnt, in den Tiefschlaf zu gehen.

„[WISP users] haben einen kleinen Nanocomputer an ihrem Bett, der hilft, die Gehirnwellen zu erkennen. Und dort verwenden wir maschinelles Lernen, damit wir die Gehirnwellen erkennen und sagen können, in welcher Schlafphase sie sich befinden“, sagte BEL-Gründer Don Tucker, a emeritierter Professor der University of Oregon.

Und hier wird es seltsam.

Das WISP gibt dann einen leichten elektrischen Reiz an verschiedene Stellen am Kopf ab.

„Genau in diesem Moment sieht es [the slow waves starting]Das Gerät wird sich an diese anschließen und das Gehirn stimulieren, um diese größer und langlebiger zu machen“, sagte Lim.

Die WISP-Stimulation und -Synchronisierung dauert nur wenige Minuten.

„Das Interessante war, dass die langsamen Oszillationen des Gehirns, sobald wir das getan haben, die ganze Nacht über andauern. Es ist, als würden wir die natürlichen Rhythmen ankurbeln und sie am Laufen halten“, sagte Tucker.

Das BEL-Team hat diese Eigenart der Neurobiologie nicht entdeckt, aber sie konnten isolieren und zielen, wo diese langsamen Wellen entstehen.

Sie haben WISP bisher an ein paar Leuten in Oregon getestet, und das Ergebnisse sind vielversprechend.

So sehr, dass es die Aufmerksamkeit des US-Militärs auf sich zog kürzlich mit Schlafentzug bei Soldaten in Verbindung gebracht zu Unfällen, Schädel-Hirn-Trauma, PTBS und Suizid.

das 1 finanziert nun eine zweite Runde klinischer StudienBeitrag von 4,3 Millionen US-Dollar, aufgeteilt zwischen dem WISP und anderen mit dem Projekt verbundenen Forschungsarbeiten.

In Vorbereitung sind die BEL-Ingenieure damit beschäftigt, einen neuen Prototyp zu entwickeln, der etwas schlanker, stilvoller und komfortabler sein wird.

Es könnte lebensverändernd sein, wenn das WISP Ergebnisse liefert und Menschen mit Schlafmangel eine bessere Nachtruhe verschafft, aber die Arbeit steckt noch in den Anfängen.

„Das Konzept ist, dass Sie erleichtern, was bereits da ist“, sagte Lisa Marshall, Neurowissenschaftlerin am Universität Lübeck in Deutschlandwer forschte früh zu diesem Phänomen, ist aber nicht mit dem BEL-Projekt verbunden. „Wenn [the stimulus is] individuell genug in Topographie und Timing und all dem, könnte es ein sehr gutes Potenzial haben.“

Das Ausmaß dieses Potenzials wird sich während der Studien am Menschen zeigen, an denen in diesem Sommer insgesamt 90 Personen teilnehmen sollen Universität von Washington und die Universität von North Carolina. Und selbst dann wird wahrscheinlich mehr Verfeinerung erforderlich sein.

„[You] müssen vielleicht die richtige Art von Paradigma finden. Vielleicht benutzt du es drei Tage lang und dann hörst du auf und fängst wieder an. Es könnte eine Art Optimum geben“, sagte Marshall. „Der Körper passt sich normalerweise an jeden äußeren Einfluss an. Und einige Parameter müssen wahrscheinlich geändert werden.“

Wenn es wirksam ist, wird es wahrscheinlich Jahre dauern, bis das WISP allgemein verfügbar ist, obwohl BEL hofft, das Gerät als Schlafmittel zu vermarkten. Aber in dieser Geschichte der Innovation im pazifischen Nordwesten geht es um viel mehr, als sich morgens ausgeruhter und wacher zu fühlen.

„Wir denken, dass die Verbesserung des Tiefschlafs für alle wichtig ist, die über 30 sind und nicht jünger werden“, sagte Tucker.

Das liegt an der Verbindung zwischen Tiefschlaf und der Art und Weise, wie Menschen verschiedene Arten von Erinnerungen erschaffen, organisieren und speichern.

„Mit zunehmendem Alter, wie ich feststellen kann, ist Ihr Gedächtnis für all die zufälligen Dinge, die während des Tages passieren, nicht mehr so ​​gut. Und es gibt sehr gute Beweise dafür, dass ein Teil davon darauf zurückzuführen ist, dass Sie die Fähigkeit zum Tiefschlaf verlieren“, sagte er. „Wir denken, dass Schlaf eine der Möglichkeiten ist, die Gehirnfunktion einer alternden Bevölkerung zu verbessern.“

Tucker redet nicht nur über Erinnerungen wie den Ort, an dem wir unsere Schlüssel gelassen haben oder die geheime Zutat in Omas Pot Pie.

Jüngste Entdeckungen in den Neurowissenschaften verbinden den Schlafmangel mit viel schwerwiegenderen Gedächtnisstörungen wie Alzheimer und anderen Arten von Demenz.

Die Entdeckungen betreffen einen Teil des Gehirns, von dessen Existenz wir bis vor etwa einem Jahrzehnt nicht wirklich wussten. Es heißt die glymphatisches System, das man sich als eine Art Kreislaufsystem im Gehirn vorstellen kann. Anstelle von Blut zirkuliert das glymphatische System Liquor cerebrospinalis (CSF).

Jeffrey Iliff ist Mitarbeiter des größeren Projekts, das WISP-Tests umfasst. Er studiert Neurodegeneration an der VA Puget Sound und die Universität von Washington und war Teil des Teams, das identifizierte erstmals 2012 die glymphatischen Bahnen.

„Das glymphatische System wurde als die Art und Weise beschrieben, wie das Gehirn Abfälle während der Nacht wegspült, die sich im Laufe des Tages ansammeln“, sagte er.

Diese Proteine ​​und andere Stoffwechselabfälle sind ein Nebenprodukt der normalen Gehirnfunktion. Diese Müllentsorgungsarbeit, die das glymphatische System leistet, ist ein Phänomen, das Iliff „Gehirnwäsche“ nennt. Dies geschieht am effizientesten während des Tiefschlafs mit langsamen Wellen.

Wenn diese Gehirnwäsche behindert wird – möglicherweise durch Mangel an Tiefschlaf –, sagte Iliff, wird der Abfall nicht so effektiv beseitigt. Und es wird angenommen, dass Ansammlungen einiger dieser Nebenprodukte eine Hauptrolle bei der Entwicklung der Alzheimer-Krankheit spielen.

Diese Wissenschaft ist so neu, dass das meiste, was wir über das glymphatische System wissen, von dem stammt, was Forscher an Mäusen beobachtet haben.

„Das glymphatische System ist derzeit ein Rätsel. Wir wissen, dass es in Mäusen existiert. Wir glauben, dass es in Menschen existiert, und wir haben einige Beweise. aber wir wissen wirklich nicht, wie es aussieht. Wir wissen nicht, wie es funktioniert“, sagte Swati Rane Levendovszky, Direktorin des Diagnostic Imaging Sciences Center der University of Washington.

Es ist immer noch unmöglich, klare Linien zu ziehen, die Schlaf, Glymphatik und Demenz verbinden.

„Wir haben noch nicht die rauchende Waffe, die sagt: ‚Ja, die Beeinträchtigung dieses Prozesses trägt zur Alzheimer-Krankheit in der menschlichen Bevölkerung bei.‘ Der Grund, warum wir diese schlagende Waffe nicht haben, ist, dass wir keine gute Möglichkeit hatten, diese Funktion in menschlichen Populationen auf vernünftige Weise zu messen“, sagte Iliff.

Wenn man in der Wissenschaft etwas nicht messen kann, kann man es nicht wirklich verstehen.

Hier spielt Rane Levendovszkys MRT-Bildgebungsarbeit im Zusammenhang mit den WISP-Studien eine große Rolle.

„MRT ist mein Fenster in ihr Gehirn“, erklärte sie.

Bei der Medizinisches Zentrum der Universität von WashingtonRane Levendovszky entwickelt nicht-invasive Methoden, um den Fluss des glymphatischen Systems beim Menschen nach einer guten und einer schlechten Nachtruhe zu messen.

„Wir wissen, dass das glymphatische System aus vielen verschiedenen Komponenten besteht. Die CSF-Waschung findet entlang des (außerhalb des) Gehirns statt. Es tritt entlang der Blutgefäße im Gehirn auf. Und dann gibt es eine Komponente, bei der sich Flüssigkeit im Gewebe des Gehirns bewegt und dann abfließt. Wir versuchen also zu sehen, ob wir jede dieser Komponenten mit verschiedenen MRT-Methoden ansprechen können“, sagte sie.

Die WISP-Studien sind die perfekte Gelegenheit dafür, denn in den langsamen, synchronisierten Wellen des Tiefschlafs entsorgt das glymphatische System den meisten Müll.

„Wir versuchen … das System aus vielen verschiedenen Blickwinkeln zu sehen, in der Hoffnung, einen Teil davon zu erfassen. Und dann fügen Sie die Teile des Puzzles zusammen und machen Sie sich ein Bild von der Glymphatik und wie sie funktioniert“, sagte sie.

Wenn die Hypothese des Teams zutrifft, wird eine Unterbrechung des Schlafs das glymphatische System stören, und eine Verbesserung des Tiefschlafs wird dazu führen, dass es noch besser funktioniert. Im Idealfall können die neuen MRT-Techniken von Rane Levendovszky in beiden Fällen den glymphatischen Fluss messen.

Die Techniken könnten die sprichwörtlichen Fensterläden der glymphatischen Wissenschaft öffnen.

„Sie haben Implikationen, die weit über diese Studie hinausgehen … bis hin zu Alzheimer und Parkinson, Kopfschmerzen und Gehirnerschütterungen und allen möglichen anderen Erkrankungen“, sagte Iliff.

Rane Levendovszky sagte, sie sehe auch das Potenzial für eine klinische Anwendung. Sie stellt sich eine Zeit vor, in der Menschen über 65 routinemäßig ein MRT erhalten, um zu beurteilen, wie gut ihr glymphatisches System funktioniert.

„Das könnte ein Hinweis darauf sein, dass Sie von Alzheimer bedroht sind“, sagte sie. „Man kann also zunächst helfen, vielleicht das Fortschreiten der Krankheit verlangsamen. Und vielleicht irgendwann eine Technologie oder Therapie entwickeln, die es einfach verhindern kann … zu einem späteren Zeitpunkt.“

Und wenn ein besserer Tiefschlaf helfen kann, die Krankheit zu verhindern, könnte diese Technologie am Ende so etwas wie Don Tuckers WISP-Stirnband aussehen und unseren Schlaf heute Nacht und in der Zukunft verbessern.

„Eine der Fragen ist: Können wir das wochen- und monatelang durchhalten und den Alterungsprozess des Gehirns wirklich verändern? Können wir jüngere Gehirne machen, indem wir helfen, sie im Tiefschlaf zu synchronisieren?“ er hat gefragt.

Und vielleicht altern wir auch besser, wenn wir besser schlafen.

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