De locus coeruleus is een hersengebied dat een belangrijke rol speelt bij het coördineren van onze mentale verwerking en is de primaire bron van noradrenaline in de hersenen, die de opwindingstoestanden en het adaptieve gedrag reguleert. Nu hebben onderzoekers van de Universiteit van Lausanne (UNIL) een nieuwe rol geïdentificeerd voor de locus coeruleus in de slaap en de verstoringen ervan.
De bevindingen bij muizen zijn gepubliceerd in Natuur Neurowetenschappen in een artikel met de titel ‘Infraslow noradrenerge locus coeruleus-activiteitsfluctuaties zijn poortwachters van de NREM-REM-slaapcyclus’, en toont aan dat de locus coeruleus de overgang tussen NREM- en REM-slaaptoestanden vergemakkelijkt, terwijl een onbewuste waakzaamheid jegens de buitenwereld behouden blijft.
“De noradrenerge locus coeruleus (LC) reguleert de opwindingsniveaus tijdens het waken, maar de rol ervan in de slaap blijft onduidelijk”, schreven de onderzoekers. “Hier laten we bij muizen zien dat fluctuerende LC-neuronale activiteit de niet-snelle oogbewegingsslaap (NREMS) verdeelt in twee hersen-autonome toestanden die de NREMS-REMS-cyclus over periodes van ~ 50 seconden bepalen; hoge LC-activiteit induceert een subcorticale-autonome opwindingstoestand die corticale micro-arousals mogelijk maakt, terwijl lage LC-activiteit vereist is voor NREMS-naar-REMS-overgangen.”
De studie, geleid door Anita Lüthi, PhD, onderzoeker bij de afdeling fundamentele neurowetenschappen van de faculteit biologie en geneeskunde van UNIL, laat zien dat de LC bepaalt wanneer de overgang tussen de twee slaaptoestanden mogelijk is, wat aangeeft dat dit hersengebied cruciaal voor de normale cycliciteit van slaaptoestanden. Het team ontdekte ook dat ervaringen gedurende de dag, met name stress, de activiteit van de LC tijdens de slaap verstoren en resulteren in een ongeorganiseerde slaapcyclus en te vaak wakker worden.
De LC, al lang erkend als het centrum van de productie van noradrenaline – het belangrijkste hormoon dat ons vermogen regelt om te reageren op uitdagingen van het milieu door de hersenen en het lichaam te mobiliseren – is essentieel voor cognitieve waakzaamheid. Tijdens de slaap fluctueert de activiteit en wisselt tussen pieken en dalen met tussenpozen van ongeveer 50 seconden. De rol van deze activiteit is tot nu toe slecht begrepen.
De neurowetenschappers van UNIL richtten zich specifiek op neuronale routes in dit hersengebied bij muizen. “We ontdekten dat zowel pieken als dalen van de fluctuerende activiteit van de LC een sleutelrol spelen in de slaaporganisatie. Dit is een nieuw structureel element van slaap; het functioneert een beetje als een klok”, legt Georgios Foustoukos, PhD, een van de hoofdauteurs van de studie, en een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Lüthi uit.
Hun resultaten laten zien dat slaap bestaat uit voorheen onbekende structurele eenheden, waarbij twee functies opeenvolgend worden gecoördineerd. Tijdens pieken van LC-activiteit komt een deel van de subcorticale hersenen dankzij noradrenaline in een meer waakachtige toestand terecht, waardoor onbewuste waakzaamheid ten aanzien van de omgeving en potentiële gevaren mogelijk is. Omgekeerd zijn tijdens de dalen overgangen naar de REM-slaap mogelijk.
Onder normale omstandigheden bestaat de menselijke NREM-slaap uit vier verschillende fasen, waaronder de diepste slaapfasen. De REM-slaap wordt daarentegen gekenmerkt door een hoge hersenactiviteit die gepaard gaat met dromen en neemt ongeveer een kwart van de nacht in beslag. Een typische nacht wisselt op gecoördineerde wijze af tussen NREM- en REM-toestanden, waardoor lichaam en geest kunnen rusten en herstellen.
De neurowetenschappers van UNIL hebben de LC geïdentificeerd als de poortwachter van deze overgangen, die precies controleert wanneer de verschuiving van NREM- naar REM-slaap kan plaatsvinden, met name op momenten waarop de activiteit laag is.
Omgekeerd ontdekten de wetenschappers dat wanneer de LC-activiteit verhoogd is, er meer noradrenaline in de hersenen vrijkomt, waardoor bepaalde delen van de hersenen gevoeliger worden voor opwinding, maar zonder het organisme daadwerkelijk wakker te maken. Deze toestand vertegenwoordigt een voorheen onbekende vorm van opwinding die tijdens de slaap waakzaamheid ten opzichte van de omgeving en het lichaam genereert, waardoor een volledig en snel ontwaken in geval van nood mogelijk wordt gemaakt. “Met andere woorden: de hersenen zijn op subcorticaal niveau halfwakker terwijl ze op corticaal niveau slapen”, legt Lüthi uit.
Deze ontdekkingen bieden cruciale inzichten voor een beter begrip van slaapstoornissen en kunnen leiden tot verbeterde behandelingen.
“Onze ontdekkingen kunnen helpen slaapstoornissen die verband houden met psychische stoornissen zoals angst of andere slaapstoornissen beter te begrijpen”, zegt Lüthi. “Bovendien bieden ze mogelijkheden voor nieuwe behandelingen, zoals het gebruik van de LC als biomarker om slaapcycli te monitoren en mogelijk te corrigeren. De kracht van ons werk is dat we de neurale activiteit van het slapende brein een grote stap dichter brengen bij de menselijke slaapmaatstaven die we kennen uit het ziekenhuis.”
Klinische samenwerkingen met het Lausanne Universitair Ziekenhuis (CHUV) zijn gestart om te beoordelen of de bij muizen geïdentificeerde mechanismen kunnen worden toegepast op de menselijke slaap.