DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.2510731123
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41849399
تاريخ النشر: 2026-03-18
المؤلف: Tommi Väyrynen وآخرون
الموضوع الرئيسي: السائل الدماغي الشوكي واستسقاء الرأس
نظرة عامة
تسلط الأبحاث الضوء على الدور الهام لنوم الإنسان في إعادة تنظيم تسلسل التذبذبات البطيئة في الدماغ، وخاصة تحت 0.1 هرتز. بينما يتميز اليقظة بالاقتران العصبي الوعائي أحادي الاتجاه—حيث تتنبأ النشاطات العصبية بالتغيرات الديناميكية الدموية—فإن الانتقال إلى النوم يؤدي إلى زيادة ملحوظة في أنماط التنبؤ ثنائية الاتجاه. تشير هذه التحولات إلى تفاعل أكثر تعقيدًا بين الإشارات العصبية والوعائية أثناء النوم.
وجدت الدراسة أن النوم مرتبط بزيادة في قوة الإشارة وتفاعلات ثنائية الاتجاه بين النشاط الكهربائي، والإشارات الوعائية، والتغيرات في حجم الماء. تؤكد هذه النتائج متعددة الأبعاد على تحول أساسي في الاقتران المعتمد على حالة الدماغ، مما يشير إلى أن كل من العوامل العصبية وغير العصبية تلعب أدوارًا حاسمة في الديناميات الوظيفية للدماغ أثناء النوم.
الطرق
في هذه الدراسة، التي تمت الموافقة عليها من قبل لجنة الأخلاقيات الإقليمية في منطقة مستشفى شمال أوستروبوتنيا، تم الحصول على موافقة خطية مستنيرة من 24 مشاركًا صحيًا (13 إناث، 11 ذكور) وفقًا لإعلان هلسنكي. خضع المشاركون لجلستي مسح—واحدة أثناء اليقظة وواحدة أثناء النوم—كل منها تستغرق حوالي 30 دقيقة وساعة واحدة من المسح، على التوالي. شمل بروتوكول القياس تسلسلات هيكلية وتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI) باستخدام تصوير متعدد النطاقات (MREG) يستمر كل منها 10 دقائق، تم تكرارها أثناء مسحات النوم. لتعزيز ضغط النوم، عانى 13 مشاركًا من ليلة واحدة من الحرمان من النوم، تم مراقبتهم باستخدام خواتم ذكية من Oura Health Oy.
ركز تحليل البيانات على فترات مدتها دقيقتان، والتي كانت الأطول من بين المقاطع المستمرة المتاحة عبر المشاركين ومراحل النوم، مع استبعاد البيانات خارج هذه الفترات لضمان وزن متساوٍ. شمل إعداد التصوير العصبي متعدد الأبعاد جهاز تصوير بالرنين المغناطيسي لالتقاط صور MREG الوظيفية فائقة السرعة وصور هيكلية، بالإضافة إلى EEG لتسجيل النشاط الدماغي العفوي، والذي قدم معلومات محددة عن حالة النوم. تم إجراء تقييم النوم في فترات مدتها 30 ثانية من قبل أخصائيي الأعصاب ذوي الخبرة وفقًا لمعايير AASM. بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام قياس الطيف القريب من الأشعة تحت الحمراء (NIRS) لقياس التغيرات في تركيزات الماء الكلية، مع تزامن جميع الأنماط مع نبضة توقيت ضوئية لجهاز تصوير الرنين المغناطيسي. تم إجراء معالجة البيانات باستخدام MATLAB (v.R2023b، MathWorks).
النتائج
في هذه الدراسة، استكشفنا الترابطات بين التذبذبات الديناميكية الدموية، والماء، والتذبذبات الكهربائية في دماغ الإنسان باستخدام نهج تصوير عصبي متعدد الأبعاد. تألفت مجموعة المشاركين من 24 فردًا صحيًا، متوازنين في الجنس (54% إناث) بمتوسط عمر 25 عامًا. خضع كل مشارك لجلستي مسح: واحدة أثناء اليقظة وأخرى أثناء النوم. تم تصنيف مراحل النوم بدقة من قبل أخصائيي الأعصاب ذوي الخبرة بناءً على تسجيلات EEG.
أسفر التحليل عن إجمالي 46 دقيقة من البيانات أثناء اليقظة، و40 دقيقة أثناء نوم NREM-1، و28 دقيقة أثناء نوم NREM-2، جميعها تم جمعها أثناء المسح النشط بالرنين المغناطيسي. يسمح هذا الجمع المنظم للبيانات بإجراء فحص شامل لنشاط الدماغ عبر حالات مختلفة، مما يسهل الحصول على رؤى حول ديناميات تذبذبات الدماغ فيما يتعلق بالتغيرات الديناميكية الدموية والمائية.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم استخدام نهج تصوير عصبي متعدد الأبعاد غير جراحي لاستكشاف التفاعلات بين التذبذبات البطيئة في الدماغ، وديناميات السائل الدماغي الشوكي (CSF)، والإشارات الكهربية في مواضيع بشرية صحية أثناء اليقظة والنوم. تشير النتائج إلى أنه أثناء اليقظة، تتنبأ التذبذبات البطيئة ذات الطاقة المنخفضة في كل من الإشارات الكهربية وإشارات السائل الدماغي الشوكي بموجات BOLD المعتمدة على مستوى الأكسجين في الدم، بما يتماشى مع مبادئ الاقتران العصبي الوعائي المعروفة. ومع ذلك، أثناء النوم، زادت مستويات الطاقة البطيئة، وفقدت اتجاهات الاقتران السائدة سابقًا، مما أدى إلى تفاعلات ثنائية الاتجاه أكثر فعالية ألغت الدافع الصافي. تشير هذه التحولات إلى تفاعل معقد بين موجات الأوعية الدموية، وتدفق السائل الدماغي الشوكي، والنشاط الكهربي أثناء النوم، قد يتم تعديلها بواسطة تذبذبات في مستويات النورإبينفرين (NE).
كشف التحليل أنه أثناء نوم NREM، أصبحت تنسيق التغيرات الديناميكية الدموية أقل قابلية للتنبؤ، مع زيادة التنبؤ الديناميكي الدموي على التغيرات الكهربية والسائل الدماغي الشوكي. وقد تم عزو ذلك إلى زيادة متزامنة في الدافع الديناميكي الدموي وانخفاض في المساهمات من إشارات السائل الدماغي الشوكي والإشارات الكهربية. ومن الجدير بالذكر أن الدراسة وجدت أن قوة النبض وسرعة تذبذبات BOLD زادت أثناء النوم، خاصة في المناطق الحسية الأولية، مما يشير إلى زيادة حركة الماء في الدماغ. تؤكد هذه النتائج على أهمية فهم التفاعلات الديناميكية بين النشاط العصبي، والديناميات الدموية، وتدفق السائل الدماغي الشوكي، خاصة كيف تتطور هذه العلاقات من اليقظة إلى النوم، وتبرز الدور المحتمل لـ NE في تعديل هذه العمليات. هناك حاجة إلى مزيد من الأبحاث لتوضيح هذه التفاعلات وآثارها على وظيفة الدماغ وصحته.
DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.2510731123
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41849399
Publication Date: 2026-03-18
Author(s): Tommi Väyrynen et al.
Primary Topic: Cerebrospinal fluid and hydrocephalus
Overview
The research highlights the significant role of human sleep in reorganizing the infraslow oscillation hierarchy in the brain, particularly below 0.1 Hz. While wakefulness is characterized by unidirectional neurovascular coupling—where neural activity forecasts hemodynamic changes—transitioning to sleep results in a notable increase in bidirectional prediction patterns. This shift indicates a more complex interplay between neural and vascular signals during sleep.
The study found that sleep is associated with enhanced signal power and bidirectional interactions among electrical activity, vascular signals, and changes in water volume. These multimodal findings underscore a fundamental transformation in brain state-dependent coupling, suggesting that both neural and non-neural factors play crucial roles in the functional dynamics of the brain during sleep.
Methods
In this study, approved by the Regional Ethics Committee of the Northern Ostrobothnia Hospital District, written informed consent was obtained from 24 healthy participants (13 females, 11 males) in accordance with the Declaration of Helsinki. Participants underwent two scanning sessions—one during wakefulness and one during sleep—each involving approximately 30 minutes and one hour of scanning, respectively. The measurement protocol included structural sequences and functional MRI (fMRI) using multiband echo-planar imaging (MREG) lasting 10 minutes each, repeated during sleep scans. To enhance sleep pressure, 13 participants experienced one night of sleep deprivation, monitored with smart rings from Oura Health Oy.
Data analysis focused on 2-minute epochs, which were the longest continuous segments available across subjects and sleep stages, while excluding data outside these epochs to ensure equal weighting. The multimodal neuroimaging setup included an MRI scanner for capturing functional ultrafast MREG and structural images, alongside EEG for recording spontaneous brain activity, which provided sleep state-specific information. Sleep scoring was conducted in 30-second epochs by experienced neurophysiologists following AASM criteria. Additionally, functional near-infrared spectroscopy (NIRS) was utilized to measure changes in macroscopic water concentrations, with all modalities synchronized to the MRI scanner’s optical timing pulse. Data processing was performed using MATLAB (v.R2023b, MathWorks).
Results
In this study, we explored the interconnections between hemodynamic, water, and electrical oscillations in the human brain using a multimodal neuroimaging approach. The participant cohort consisted of 24 healthy individuals, balanced in gender (54% females) with a mean age of 25 years. Each participant underwent two scanning sessions: one during wakefulness and another during sleep. Sleep stages were meticulously classified by experienced neurophysiologists based on EEG recordings.
The analysis yielded a total of 46 minutes of data during wakefulness, 40 minutes during NREM-1 sleep, and 28 minutes during NREM-2 sleep, all collected during active MRI scanning. This structured data collection allows for a comprehensive examination of brain activity across different states, facilitating insights into the dynamics of brain oscillations in relation to hemodynamic and water changes.
Discussion
In this study, a noninvasive multimodal neuroimaging approach was employed to explore the interactions between infraslow brain oscillations, cerebrospinal fluid (CSF) dynamics, and electrophysiological signals in healthy human subjects during wakefulness and sleep. The findings indicate that while awake, low-power infraslow oscillations in both electrophysiological and CSF signals predict vasomotor blood-oxygen-level-dependent (BOLD) waves, consistent with established neurovascular coupling principles. However, during sleep, the infraslow power levels increased, and the previously dominant coupling directions were lost, resulting in more bidirectional interactions that effectively canceled out the net drive. This shift suggests a complex interplay between vasomotor waves, CSF flow, and electrophysiological activity during sleep, potentially modulated by oscillations in norepinephrine (NE) levels.
The analysis revealed that during NREM sleep, the coordination of hemodynamic changes became less predictable, with increased hemodynamic prediction over electrophysiological and CSF changes. This was attributed to a simultaneous increase in hemodynamic drive and a decrease in contributions from CSF and electrophysiological signals. Notably, the study found that the pulsation power and speed of BOLD oscillations increased during sleep, particularly in primary sensory regions, indicating enhanced brain water movement. These results underscore the importance of understanding the dynamic interactions between neuronal activity, hemodynamics, and CSF flow, particularly how these relationships evolve from wakefulness to sleep, and highlight the potential role of NE in modulating these processes. Future research is warranted to further elucidate these interactions and their implications for brain function and health.