Jak se v průběhu dne mění vzrušivost a plasticita obvodu

Náš mozek nereaguje pevně, mechanicky jako elektronické obvody. I když při dojíždění do práce vidíme každý den stejnou scénu, to, co cítíme – a zda to zanechá trvalý dojem – závisí na našem vnitřním stavu v tu chvíli. Například vaše dojíždění může být rozmazané, pokud jste příliš unavení na to, abyste věnovali pozornost svému okolí.

24hodinový cyklus, kterým se lidé přirozeně řídí, je jedním z faktorů, které formují vnitřní prostředí mozku. Tyto vnitřní fyziologické cykly vznikají ze souhry mezi vnitřními cirkadiánními hodinami těla a vnějším cyklem světlo-tma, který je synchronizuje. Ale jak takové denní výkyvy ovlivňují chemii mozku a ovlivňují neuronální excitabilitu a plasticitu, zůstalo velkou neznámou.

Nyní vědci z univerzity Tohoku přímo pozorovali změny v reakcích nervových signálů v mozcích nočních krys závislé na denní době. Jejich zjištění jsou zveřejněno v Neurovědní výzkum.

Jak denní doba formuje mozkovou aktivitu

Pomocí optogenetiky tým aktivoval neurony ve zrakové kůře krys a zaznamenal výslednou elektrickou aktivitu. Tento přístup umožnil přesnou kvantifikaci nervové odezvy. Zjistili, že identické nervové podněty vyvolávají různé reakce v závislosti na denní době. Nervová aktivita byla snížena při východu slunce a zesílena při západu slunce. Protože jsou krysy noční, představuje východ slunce období po noci aktivity, kdy se připravují ke spánku.

Aby vědci prozkoumali základní mechanismus vysvětlující, proč k tomu došlo, podívali se na adenosin, neuromodulátor, který se hromadí během bdění a způsobuje, že se cítíme ospalí.

Když vědci zablokovali účinek adenosinu, nervová aktivita při východu slunce se ztlumil a zesílil, což ukazuje, že adenosin pomáhá regulovat kortikální excitabilitu během dne.

„Nervová dráždivost není konstantní; závisí na vnitřním stavu mozku,“ říká profesor Ko Matsui z univerzity Tohoku. „Naše výsledky ukazují, že i identické neurony mohou reagovat odlišně v závislosti na denní době, řízeny molekulami, jako je adenosin, které spojují metabolismus, spánek a neuronální signalizaci.“

Denní rytmy a adaptabilita mozku

Tým také zkoumal, zda se kapacita mozku pro dlouhodobou potenciaci (LTP), buněčný základ učení a paměti, mění s denní dobou. To představuje potenciál mozku pro metaplasticitu (schopnost mozku upravit, jak snadno se jeho sítě mění). Je pozoruhodné, že opakovaná optická stimulace indukovala LTP podobné vylepšení při východu slunce, ale ne při západu slunce.

To bylo neočekávané, protože to naznačuje, že ačkoli tlak spánku a únava vrcholí při východu slunce, metaplastický potenciál mozku je v tuto chvíli zvýšený. Tato zjištění naznačují, že schopnost mozku se reorganizovat se řídí denním rytmem se specifickými obdobími příznivějšími pro učení a adaptaci.

„Tyto výsledky naznačují, že náš mozek má dočasná okna, která podporují přizpůsobivost,“ vysvětluje vedoucí výzkumník Yuki Donen. „Vědět, kdy je mozek nejvíce vnímavý ke změnám, může pomoci optimalizovat trénink, rehabilitaci a terapie založené na stimulaci.“

Důsledky pro učení a paměť

U lidí, kteří jsou aktivní hlavně během denní hodinykapacita pro učení a tvorbu paměti může vrcholit během období soumraku blížícího se západu slunce. Jinými slovy, nejlepší čas na studium nebo učení se něčemu novému může být před spaním.

Studie odhaluje, jak denní rytmy dolaďují rovnováhu mezi vzrušivostí a plasticitou v kůře. Protože hladiny adenosinu a spánkový tlak sledovat cirkadiánní vzorce, může tento mechanismus synchronizovat adaptabilitu mozku s cykly chování, jako je odpočinek a aktivita. Výzkum poskytuje nový pohled na koordinaci mozku spotřebu energienervová signalizace a kapacita učení v průběhu dne.