In tijden van (her)examens en deadlines zijn “nachtjes door” voor velen geen uitzondering. Maar wat doet dat zoal met onze hersenen, dat slaaptekort? Een nieuwe studie heeft voor het eerst meer duidelijkheid gebracht rond het precieze effect van slaapdeprivatie. Het team van Luikse en Britse onderzoekers publiceerden hun resultaten recent in het gerenommeerde Science tijdschrift (1).

Wat gebeurt er met onze hersenen als we gedurende 2 dagen wakker blijven? Eerdere studies hebben reeds aangetoond dat een acuut slaaptekort (zoals na een nachtje door) kan leiden tot een vermindering in cognitie (2) en bijgevolg een verhoogd risico op menselijke fouten en gezondheidsgevaren (3). Vaak worden deze negatieve effecten van slaapdeprivatie zuiver toegeschreven aan het tekort aan slaap. Ondanks het feit dat gedurende de dag er een progressieve opbouw is van de drang om te slapen (‘sleep pressure’), blijven mensen zeer goed in staat om te functioneren tot men gaat slapen, in wetenschapsterm de ‘biologische nacht’ genoemd. Dit laatste wordt veroorzaakt door het feit dat er een continu signaal wordt gegeven door onze biologische klok (dag- en nacht ritme of ‘circadiaans ritme’) om ons wakker te houden en om zo ons functioneren hoog te houden. Dit signaal neemt gedurende de dag toe en piekt in de vroege avond, een beetje voor het moment dat ons lichaam klaargemaakt wordt om in slaapmodus te gaan (wat meer specifiek gebeurt door een toename van het slaaphormoon ‘melatonine’). Dit om onze toenemende slaapdrang gedurende de dag tegen te gaan (4-6). Echter, wanneer de biologische nacht wordt uitgesteld, zoals bijvoorbeeld door een nachtje door, dan zullen bijgevolg ook de cognitieve capaciteiten snel en drastisch achteruit gaan. Dit is gelinkt aan het feit dat er niet alleen een toename is van de slaapdrang, maar ook het afnemen van het signaal van ons circadiaans ritme (6-7). Echter, of en hoe deze interactie tussen homeostatische slaapdrang en onze biologische klok zich afspeelt op het niveau van de hersenen is tot op heden niet gekend.

Om deze vraag te kunnen beantwoorden, hebben onderzoekers 33 proefpersonen in de MRI-scanner gelegd. Meer specifiek hebben de onderzoekers functionele MRI (fMRI) toegepast, een techniek die toelaat om het functioneren van de hersenen in rust of na een bepaalde stimulus of taak in kaart te brengen. De proefpersonen begonnen fris en monter (en hopelijk uitgeslapen) aan het experiment, maar dienden vervolgens gedurende 42 uur (1 dag, 1 nacht en nog 1 dag) wakker te blijven vooraleer ze terug naar bed konden gaan voor een “herstel’ slaap” van 12u. In totaal kreeg elke proefpersoon 13 scans: 12 scans tijdens de periode van slaaptekort (afgestemd op de ‘melatonine’-cyclus) en 1 scan na hun “recovery” slaap.

fMRI scan

Figuur 2: Voor dit onderzoek ondergingen 33 proefpersonen elks 13 fMRI scans, waarbij het functioneren van verschillende hersenregio’s onderzocht kan worden. (Bron figuur: wiki.ucl.ac.uk)

De onderzoekers vonden dat de activiteit van voornamelijk de ‘subcorticale’ regio’s (= regio’s gelegen dieper in de hersenen, onder de hersenschors), een circadiaans patroon volgden (dus het 24uur-ritme wat dag en nacht voorstelt), en waarvan de precieze timing verschillend was voor elke hersenregio. Bovendien kwam deze ritmische modulatie van de hersenactiviteit ook overeen met het ‘melatonine’ profiel (Figuur 3). Andere hersenregio’s, voornamelijk in de frontale delen van het brein, toonden dan weer een afname in activiteit die overeenkwam met de tijd die iemand reeds wakker was (dus hoe langer een persoon wakker was, hoe minder hersenactiviteit kon gezien worden). Na de herstelslaap ging de hersenactiviteit in deze regio’s –gelukkig- terug naar het niveau van voor het slaaptekort. Een derde groep hersenregio’s vertoonden dan weer een patroon wat overeenkwam met een combinatie van het ritmische circadiaanse ritme en een afname in activiteit gerelateerd aan de tijd die iemand reeds wakker was.

Effect slaaptekort op hersenactiviteit

Figuur 3: Het effect van slaaptekort op hersenactiviteit weergegeven. De verschillende kleuren tonen de hersenactiviteit tijdens een bepaalde fase van het melatonine-profiel (DLMO). (Bron figuur: Muto et al, Science, 2016.)

Bovendien, en redelijk onverwacht, vonden de onderzoekers ook dat het effect van slaaptekort op hersenactiviteit veel meer verspreid was over verschillende hersenregio’s wanneer de proefpersonen een gemakkelijke cognitieve taak deden (bijvoorbeeld een test waarbij de reactietijd wordt opgemeten bij een bepaalde taak) dan wanneer er meer complexere geheugentaken uitgevoerd werden.

Deze fascinerende resultaten tonen voor het eerst de interactie aan tussen de tijd die we reeds wakker zijn (en dus onze “drang om te slapen”) en onze biologische klok. Bovendien tonen ze dus aan dat het functioneren van onze hersenen voortdurend beïnvloed wordt door deze twee factoren, en dit afhankelijk is van de specifieke hersenregio’s die bekeken worden. Bovendien kunnen deze resultaten implicaties hebben voor mensen die vaak met slaaptekort te maken krijgen, zoals het geval met het werken in shiften, jet lag, slaapstoornissen en ouderdom.

Referenties

1. V. Muto, M. Jaspar, C. Meyer, C. Kusse, S. L. Chellappa, C. Degueldre, E. Balteau, A. Shaffii-Le Bourdiec, A. Luxen, B. Middleton, S. N. Archer, C. Phillips, F. Collette, G. Vandewalle, D.-J. Dijk, P. Maquet.: Local modulation of human brain responses by circadian rhythmicity and sleep debt. Science, 2016; 353 (6300): 687.
2. J.C. Lo et al: …. PLOS ONE, 2012; 7, e45987.
3. S.M. Rajaratnam, J. Arendt: … Lancet, 2001; 358, 999-1005.
4. D.J. Dijk, T.L. Shanahan, J.F. Duffy, J.M. Ronda, C.A. Czeisler: … J Physiol, 1997; 505, 851-858.
5. J.K. Wyatt, A. Ritz-De Cecco, C.A. Czeisler, D.J. Dijk:… Am. J. Physiol, 1999; 277, R1152–R1163.
6. D.J. Dijk, C.A. Czeisler:… Neurosci. Lett., 1994; 166, 63–68.
7. D.J. Dijk, J.F. Duffy, C.A. Czeisler: … J. Sleep Res., 1992; 1, 112–117.