Met behulp van micro-elektroden haarachtige en computer analyse, neurobiologen aan Duke University Medical Center hebben aangetoond dat zij kunnen de gedetailleerde direct-to-direct elektrische "Brainscape" van de neurale activiteit te zien in een levende brein.
In hun studie bij ratten, ze laten zien dat ze konden onderscheiden in ongekend detail de patronen van hersenactiviteit - met inbegrip van vluchtige veranderingen in de communicatie tussen hersenstructuren - in wakkere dieren, als ze vallen slaap en als ze de overgang tussen verschillende slaapstadia.
De studie is belangrijk, niet alleen voor haar inzicht in de slaap-proces, maar omdat neurobiologen sterke aanwijzingen dat het geheugen consolidatie optreedt tijdens de slaap hebben, aldus de onderzoekers.
Meer in het algemeen, zij geloven dat hun nieuwe analytische techniek zal een ongekende inzichten kunnen in de functie van zowel de gezonde hersenen en die is aangetast door neurologische aandoening. Dergelijke inzichten kunnen leiden tot nieuwe inzichten en behandeling als ziekten zoals epilepsie, de ziekte van Alzheimer en schizofrenie, zeiden ze.
Onder leiding van neurobioloog dr. Miguel Nicolelis, MD, Ph.D., de onderzoekers hun bevindingen gepubliceerd in het december 8, 2004, Journal of Neuroscience. Nicolelis is professor in de neurobiologie en co-directeur van het Centrum Duke's voor Neuroengineering. Andere co-auteurs waren Damien Gervasoni, Shih-Chieh Lin, Sidarta Ribeiro, Ernesto Soares en Janaina Pantoja. Het onderzoek werd gesponsord door de National Institutes of Health.
In hun studies, Nicolelis en zijn collega's geïmplanteerd de micro-elektroden, kleiner dan de diameter van een menselijke haar, in regio's van de hersenen verantwoordelijk zijn voor een reeks van functies - waaronder sensorische, motorische functie en geheugenvorming. Vervolgens geregistreerd en geanalyseerd de elektrische signalen van de ratten als de dieren ging door enkele dagen van slaap-waak fietsen. Hun analyse kunnen detecteren activiteit patronen die wakker worden, diepe 'slow wave' slaap en de zogenaamde 'rapid-eye movement "slaap gemarkeerd.
Belangrijk is, zegt Nicolelis, hun analyse kunnen de vluchtige veranderingen in de hersenen te onderscheiden als de dieren overgegaan van de ene slaapstand van de andere.
"We kunnen eigenlijk zulke veranderingen te voorspellen, omdat op dat moment, deze verschillende structuren samen te vuur en vlam voor een paar honderd milliseconden voor een synchrone patroon van vuren, dat is een handtekening van de overgang van de vorige toestand naar het volgende te creëren," aldus Nicolelis. Een milliseconde is een duizendste van een seconde.
"Het is bijna als twee computers uitwisselen van informatie via een modem, en ze gesynchroniseerd in het proces," zei hij.
"Onze analyse significante functionele inzicht geopenbaard in slaap", zei Nicolelis. "Bijvoorbeeld, vonden we dat er slechts een paar fysiologisch mogelijke overgangen van staat tot staat - net zoals in de chemie zijn er slechts bepaalde chemische reacties die mogelijk zijn." Bijvoorbeeld, zei hij, de gegevens onderscheiden de ongrijpbare overgang genaamd "intermediair slapen" tussen slow wave slaap en een snelle-eye-movement slaap.
Belangrijk is, zegt Nicolelis, de overgangen observeerden ze hetzelfde waren van het ene dier naar het andere, "suggereert dat we zijn aangekomen op een grote basisprincipe van hoe de hersenen daadwerkelijk werkt."
De technologie en analyse gebruikte de onderzoekers is een uitbreiding van dat wordt gebruikt om apen om een robotarm met alleen hun hersenen signalen, die Nicolelis en zijn collega's gemeld in 2003 te controleren.
"Nu we echter zijn breder hersensignalen opname - honderden, misschien duizenden, 'zei Nicolelis. "Door het filteren en te analyseren, kunnen we eigenlijk meten de wereldwijde dynamische activiteit die ons vertelt wat gedragsproblemen staten van de dieren gaan door.
"Dit vermogen is in grote lijnen belangrijk omdat het de eerste fysiologische meting dat de globale gedrag van de hersenen, waaronder de brede coördinatie van de vele gebieden kunnen openbaren."
In tegenstelling, zei Nicolelis, magnetische resonantie beeldvorming en positron emissie tomografie - de meest gebruikte brain-scanning technieken - kan slechts beperkte tijd-resolutie van de hersenactiviteit te geven. Ook geven ze slechts indirecte aanwijzingen van de hersenactiviteit door het meten van de doorbloeding als een indicator van de activiteit.
Volgens Nicolelis, hun gedetailleerde studies van de hersenactiviteit - met inbegrip van een eerdere studie gerapporteerd in de 25 juni 2004, nummer van Science, blijkt dat de hersenen niet de passieve, onveranderlijke computer gepostuleerd door de meeste huidige theorie. In plaats daarvan zei hij, het is een dynamisch, voortdurend aangepast orgel. In het Science papier, rapporteerden de onderzoekers dat de hersenen reactie van een rat op tactiele prikkel om haar snorharen veranderen al naar gelang het dier actief was een taak uitvoert of passief ontvangen van input.