Bộ não "gợi ý" về sự mệt mỏi như thế nào: Động lực học fMRI trong khi ngủ

Một nghiên cứu của nhóm Giáo sư II Gaez tại Đại học Nam California (USC), được công bố trên iScience, chứng minh các dấu hiệu chụp ảnh thần kinh khách quan mới có thể phát hiện cơn buồn ngủ ở giai đoạn đầu - trước khi một người ngủ hoàn toàn.

Nhiệm vụ và sự liên quan

Ngủ gật và mất tập trung tạm thời là nguyên nhân gây ra hàng trăm vụ tai nạn giao thông và thương tích trong công nghiệp. Cho đến nay, việc dự đoán chính xác thời điểm "đi vào giấc ngủ" bằng bảng câu hỏi chủ quan hoặc điện não đồ vẫn còn khó khăn. Trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu đã xem xét liệu có thể phát hiện thời điểm bắt đầu của Giai đoạn Khởi phát Giấc ngủ (SOP) bằng những thay đổi trong tín hiệu BOLD trên hình ảnh cộng hưởng từ chức năng hay không.

Tại sao điều này lại quan trọng?

• Chẩn đoán sớm tình trạng mệt mỏi. Xác định bản đồ thần kinh chính xác giúp phát triển các phương pháp theo dõi tài xế và người vận hành, ngăn ngừa tai nạn do tình trạng ngủ gật.
• Nghiên cứu giấc ngủ. Động lực của dao động BOLD chậm có thể trở thành dấu ấn sinh học khách quan về sự khởi phát SOP, bổ sung cho các xét nghiệm tâm lý và điện sinh lý.
• Điều biến thần kinh: Kích thích thần kinh nhắm vào vùng đồi thị hoặc mạng lưới chú ý có thể kéo dài sự tỉnh táo trong những tình huống nguy cấp mà không cần dùng thuốc.

“Chúng tôi đã lần đầu tiên chứng minh được rằng quá trình chuyển sang trạng thái buồn ngủ đi kèm với những thay đổi rõ ràng, có thể tái tạo được trong các dao động chậm của tín hiệu BOLD”, II Gaez nhận xét. “Điều này mở đường cho việc theo dõi tình trạng mệt mỏi một cách khách quan dựa trên hình ảnh thần kinh.”

Thiết kế thử nghiệm

1. Số lượng tình nguyện viên: 20 người tham gia khỏe mạnh (10 nam/10 nữ, độ tuổi 22–35) không mắc chứng rối loạn giấc ngủ.
2. Ngủ trong máy quét MRI: Đối tượng nằm nhắm mắt và được phép ngủ thoải mái trong khi máy quét phát ra tiếng ồn nền (80 dB).
   • EEG (điện cực riêng trong máy quét),
   • EOM (biên độ chuyển động của mắt),
   • Camera giám sát mí mắt.
3. Định nghĩa SOP: bằng sự kết hợp của mí mắt khép hờ, nhịp EEG chậm lại và lần đầu tiên bằng sự thay đổi trong các thông số BOLD.

Phân tích chi tiết tín hiệu BOLD

• Biến động tần số thấp (0,03–0,07 Hz): trong giai đoạn đầu của SOP, biên độ của các dao động này tăng 30–50% trong
  • đồi thị (điều phối sự tỉnh táo),
  • vỏ não chẩm (xử lý hình ảnh),
  • các nút của mạng chế độ mặc định (DMN): vỏ não trước trán giữa và PCC.
• Kết nối chức năng:
  • Đồi thị ↔ vỏ não trước trán: tăng 20%, cho thấy sự “dịch” tín hiệu giấc ngủ đến vỏ não tăng lên.
  • Mạng lưới chú ý (DAN): Các kết nối giữa thùy đỉnh và thùy trán giảm 15%, phản ánh sự suy yếu của khả năng định hướng bên ngoài.

Tương quan với sự mệt mỏi

• Sự khác biệt giữa các cá nhân: Những người tham gia ngủ ít hơn 24 giờ (<6 giờ) cho thấy sự gia tăng sớm hơn và rõ rệt hơn về dao động tần số thấp.
• Dữ liệu về hành vi: Dấu hiệu đầu tiên của chứng ngủ ngắn (phản ứng chậm với một nhiệm vụ thị giác đơn giản trong MRI) trùng với biên độ đỉnh của trục BOLD đồi thị–DMN.

Các ứng dụng có thể

1. Giám sát người lái xe và người vận hành: chuyển kết quả fMRI sang thiết bị fMRI hoặc EEG di động để cảnh báo sớm tình trạng mệt mỏi.
2. Lịch trình làm việc được cá nhân hóa: tính đến “ngưỡng” SOP của từng cá nhân khi lập kế hoạch ca làm việc và nghỉ ngơi, giảm thiểu tai nạn.
3. Liệu pháp giấc ngủ: kiểm tra tác dụng của caffeine, giấc ngủ ngắn và điều biến thần kinh (kích thích từ xuyên sọ) để làm chậm sự thay đổi BOLD.

Trích dẫn của tác giả

“Chúng tôi đã lần đầu tiên chứng minh được dao động BOLD chậm ở đồi thị và vỏ não có thể dự đoán thời điểm bắt đầu giấc ngủ như thế nào”, Giáo sư Gaez nhận xét. “Điều này mở đường cho việc phát triển ‘con mắt sinh lý’ khách quan để theo dõi sự tỉnh táo.”

Tiến sĩ Li Jing, đồng tác giả, cho biết thêm: “Những phát hiện của chúng tôi cho phép chúng ta suy nghĩ lại về cách quản lý tình trạng mệt mỏi: không còn đủ để hỏi 'Bạn ngủ thế nào?' nữa – chúng ta cần có khả năng 'nhìn thấy' bộ não”.

Các tác giả nhấn mạnh những điểm chính sau đây:

• Độ tin cậy thần kinh học của các dấu hiệu
  “Sự gia tăng các dao động tần số thấp của tín hiệu BOLD ở đồi thị và mạng lưới chế độ thụ động rõ ràng có mối tương quan với các dấu hiệu khách quan của tình trạng buồn ngủ (nhắm mắt, làm chậm EEG), - II Gaez lưu ý. - Điều này chứng tỏ rằng SOP có thể được “nhìn thấy” không chỉ bằng hành vi mà còn trực tiếp bằng hoạt động của não.”

• Sự khác biệt cá nhân
  “Chúng tôi phát hiện ra rằng những người bị thiếu ngủ mãn tính có sự thay đổi BOLD sớm hơn và rõ rệt hơn”, Tiến sĩ Lee cho biết. “Điều này mở ra khả năng cá nhân hóa các chiến lược chống mệt mỏi: một số người có thể cần 'giấc ngủ ngắn' thường xuyên hơn, trong khi những người khác có thể cần liệu pháp ánh sáng hoặc kích thích thần kinh.”

• Áp dụng vào thực tế
  “Bước tiếp theo là áp dụng các dấu hiệu này vào công nghệ di động (fNCD, mũ EEG khô) để theo dõi sự cảnh giác theo thời gian thực ở người lái xe và người điều khiển phương tiện”, Giáo sư Martinez cho biết thêm.

• Quan điểm lâm sàng
  “Những thay đổi được tìm thấy cũng có thể giúp chẩn đoán các rối loạn giấc ngủ: mất ngủ, ngưng thở và chứng ngủ rũ có tác động khác nhau đến giai đoạn đầu của SOP và dấu hiệu BOLD sẽ giúp phân biệt các tình trạng này”, Tiến sĩ Singh kết luận.

Nghiên cứu này mở đường cho công nghệ thần kinh phòng ngừa tai nạn và chấn thương dựa trên các dấu hiệu buồn ngủ theo thời gian thực và riêng lẻ, đồng thời hứa hẹn sẽ giúp đường sá và khu công nghiệp an toàn hơn.