Umělá inteligence odhalila tajemství spánku na nevídané úrovni
Bdělost a spánek jsme považovali za zcela protichůdné, vzájemně se vylučující stavy. Hranice mezi nimi však není ostrá. Když spíme, jsme zároveň tak trochu vzhůru. A naopak, i v plné bdělosti tak trochu spíme.
Ve spánku mozek „nelenoší“, ale rozehrávají se v něm zcela specifické aktivity. Pozoruhodné je, že zatímco v bdělosti se aktivita mozku lidí a zvířat dramaticky liší, ve spánku mezi nimi ani odborník nevidí mnoho rozdílů. „Když se podívám na záznam aktivity mozku elektroencefalografem u spící myši a u spícího člověka, nedokážu je od sebe odlišit,“ říká přední odborník na problematiku spánku Vlad Vyazovskiy z University of Oxford.
Mozkové vlnění
Pokles a vzestup elektrické aktivity v různých částech mozku bývá interpretován jako „mozkové vlny“. Alfa vlny mají frekvenci 8 až 13 hertzů, což znamená, že vlna dokončí za sekundu 8 až 13 cyklů. Tento typ vln se v mozku nejčastěji objevuje, když je člověk vzhůru, ale cítí se uvolněně a má zavřené oči. Alfa vlny se objevují třeba těsně před usnutím nebo během krátkého probuzení. Nastupují také v některých částech mozku ve fázi spánku s živými sny. U 10 % lidí však alfa vlny chybí.
Ve spánku se nejčastěji objevují beta vlny s frekvencí 13 až 30 hertzů. Jejich výška čili amplituda se zvyšuje při únavě a při usínání. Většina prášků na spaní zvyšuje amplitudu i frekvenci beta vln. Theta vlny jsou pomalejší a mají frekvenci 4 až 8 hertzů. Objevují se, když se člověk propadá do spánku, a nejčastěji je lze zaznamenat v nejlehčích fázích spánku. Delta vlny jsou nejpomalejší. Mají frekvenci od 1 do 4 hertzů a vyskytují se především během hlubokého spánku.
O tom, že se aktivity mozku typické pro spánek mohou objevit i v plně bdělém mozku a naopak, vědí vědci už dlouho. Například při silné ospalosti vykazují některé oblasti mozku aktivity typické pro spánek. To je zřejmě jeden z důvodů, proč v ospalosti chybujeme. Mozkové centrum, jež by mělo situaci zdárně vyřešit, upadne do stavu nápadně podobného spánku a nepracuje tak, jak by mělo. Vázne nám například koordinace pohybů, což se projeví zpomalenými nebo chybnými reakcemi. Někdy lze pozorovat naopak během spánku aktivity charakteristické pro bdění. Příkladem jsou tzv. alfa-intruze, kdy se uprostřed hlubokého spánku s typickými delta vlnami objeví na přechodnou dobu alfa vlny.
Neklidný spánek myší
Tým vedený Keithem Hengenem z Washington University v americkém St. Louis si vzal aktivity spícího a bdělého mozku „pod drobnohled“. Vědci měřili rozdíly v aktivitě mozku mezi neurony, které jsou od sebe vzdálené jen několik tisícin milimetru, a měření prováděli v intervalech dlouhých pouhou miliontinu sekundy. K vyhodnocení obrovského množství dat využili umělou inteligenci.
Výsledky jejich výzkumu, zveřejněné vědeckým časopisem Nature Neuroscience, odhalují, že aktivity mozku jsou mnohem složitější, než jsme se doposud domnívali, a že se právě na „mikro-úrovni“ spánek s bděním vzájemně proplétají. Maličké oblasti spícího mozku se probouzejí a naopak, stejně nepatrné oblasti v bdělém mozku usínají. Studie je výsledkem spolupráce neurobiologů ze St. Louis s experty na umělou inteligenci z University of California v Santa Cruz vedenými Davidem Hausslerem.
Vědci využili obrovského množství dat získaných předchozími měřeními aktivity mozku bdělých i spících laboratorních myší. Na nich pak po čtyři roky „trénovali“ umělou inteligenci. Hodlali ji využít k pátrání po změnách aktivity, které nastávají s mnohem vyšší frekvencí, než jaká je typická pro „klasické“ mozkové vlny. Od Hengena a Hausslera to bylo dost kacířské, protože tak rychlé krátkodobé změny v aktivitě mozku zatím nikdo nepozoroval, a pokud platí stávající teorie o tom, jak mozek pracuje, neměly by ani existovat.
S umělou inteligencí na petabyty dat
„S velmi výkonnou měřicí technikou a se zcela novými výpočetními postupy máme šanci zpochybnit a revidovat základní otázky, jež se týkají změn ve stavu mozku,“ říká Keith Hengen. „Spánek a bdělost určují všechny naše životní aktivity. Od nich se vše odvíjí, s nimi všechno stojí a padá. Takže když pořádně nevíme, jaké je bdění a jaký spánek, tak jsme ve všem dalším úplně vedle.“
Vědci vybavili volně se pohybující myši lehoučkou sadou elektrod, které zaznamenávaly aktivity neuronů podobně, jako je tomu při vyšetření lidského mozku pomocí EEG. Nová aparatura ale registrovala změny napětí v deseti oblastech mozku po dobu jednoho měsíce, a to v mikrosekundových intervalech. Objem takto nashromážděných dat se pohyboval v petabytech (tedy v milionech gigabytů). S pomocí umělé inteligence pak vědci v tomto moři informací pátrali po „vzorech“, jež jsou typické pro bdění a spánek, ale pro odhalení lidským mozkem jsou příliš komplikované. A dočkali se velkého překvapení.
Milisekundové projevy spánku a bdění
Pro spánek jsou typické pomalé vlny s nízkou frekvencí. Vědci proto předpokládali, že aktivity mozku prozrazující spánek budou patrné při hodnocení dat reprezentujících práci spícího mozku aspoň po dobu několika vteřin. Přesto „předhazovali“ umělé inteligenci stále kratší a kratší záznamy a chtěli po ní, aby rozhodla, jestli jde o záznam mozku spící, anebo bdělé myši. Nakonec umělé inteligenci stačil k odlišení bdění a spánku záznam aktivity mozku trvající pouhou tisícinu sekundy. „To byl šok,“ přiznává člen výzkumného týmu David Parks z University of California v Santa Cruz. „Je to stejné, jako kdybyste si poslechli z hudební nahrávky pouhou tisícinu sekundy a měli jste rozhodnout, jestli má skladba rychlé, nebo pomalé tempo.“
Umělá inteligence nemohla odhalit pomalé spánkové vlny z tak krátkého záznamu. Znamenalo to, že nehodnotí bdění a spánek podle typických pomalých vln, jako jsou třeba delta vlny s frekvencí od 1 do 4 hertzů, ale využívá úplně jiné a podstatně kratší změny v aktivitě mozku. „Nacházíme informaci na tak detailní úrovni, že to nemá obdoby,“ vysvětluje Hengen. „Byli jsme přesvědčeni, že na této úrovni nenajdeme vůbec nic a že vše důležité se odehrává na úrovni pomalých vln. Teď ale víme, že se stačí podívat na výsledky detailního měření trvajícího tisícinu sekundy a můžete s jistotou říct, jestli mozek spí, nebo je vzhůru.“
Ve vědě platí zásada, že čím revolučnější se zdá výsledek výzkumu, tím důkladnější musí být důkazy, o něž se objev opírá. Vědci proto opakovaně prověřovali všechny postupy, ale nenašli nic, co by vzbuzovalo pochybnosti. Fenomén extrémně rychlých změn v aktivitách mozku typických pro spánek a bdění je tedy reálný. Úloha pomalých vln spočívá podle Hengena a jeho spolupracovníků v synchronizaci velmi rychlých změn probíhajících v různých částech mozku.
Záhadná „zablikání“
Nebylo to poslední překvapení, jež z petabytů dat umělá inteligence vydolovala. Další objev vyvolal mezi vědci zpočátku poplach, protože se zdálo, že umělá inteligence v některých případech chybuje. Uprostřed spících neuronů mozku se tu a tam objevily malé okrsky, na krátkou chvilku vykazující aktivitu typickou pro bdění. A naopak, v bdělém mozku jako kdyby na chvilku některé malé oblasti usínaly. Vědci začali těmto anomáliím říkat „zablikání“. A stáli před zásadní otázkou: Je to chyba, nebo reálný jev?
Hengen a spol. se rozhodli zjistit, zda se „zablikání“ odráží v chování zvířat. A zjistili, že když bdící myši „zabliká“ část mozku spánkovou aktivitou, zvíře skutečně na okamžik „vypadne z role“ a na moment přeruší to, co právě podniká. A naopak, když myš spala a část jejího mozku „blikla“ aktivitou typickou pro bdění, zvíře ožilo a třeba se ze spaní poškrábalo.
To dokazuje, že „blikání“ není důsledkem chyby měřicích aparatur a nevzniká ani selháním umělé inteligence vyhodnocující data. Také tento objev nabourává zažité představy o tom, jak mozek reguluje spánek a bdělost. Vědci byli přesvědčeni, že jednotlivé fáze aktivity se během spánku v mozku střídají. Nové experimenty ale dokazují, že dochází k jejich vzájemnému prolínání.
Vědce zajímá, jestli lze rychlé změny aktivity a místní „zablikání“ pozorovat také na mozkových organoidech, což jsou kousky mozkové tkáně pěstované v laboratorních podmínkách. Pokud se to podaří, otevřou se neurobiologům zcela nové možnosti pro výzkum vývojových poruch mozku, jako je autismus, nebo neurodegenerativních onemocnění, jako je Alzheimerova choroba. Tyto poruchy a onemocnění jsou často spojeny s narušením spánku. Záznam velmi rychlých změn v aktivitě mozku a „zablikání“ v různých částech mozku by mohl najít uplatnění také při diagnostice a následně při léčbě.
„Čím lépe porozumíme podstatě toho, co je spánek a co bdění, tím snáze můžeme řešit příslušné klinické problémy a problémy související s nemocemi,“ říká Hengen. „Tyto znalosti by mohly způsobit revoluci v našem přístupu k léčbě široké škály poruch spojených se spánkem, od nespavosti a spánkové apnoe až po složitější neurologické stavy, jako je Alzheimerova choroba a autismus.“
