Liksom öar som sticker ut från den släta ytan på havet, drömmer våra drömmar vår sömn med osammanhängande episoder av medvetande. Där dessa stycken tankar dyker upp i en sovande hjärna - har denna fråga länge besvärat forskare och filosofer. I årtionden har forskare associerat drömmar med snabb ögonrörelse (REM), när vilande hjärna paradoxalt producerar högfrekventa hjärnvågor som är mycket lika de som föds under vakenhet.
Och ändå ser vi drömmar inte bara under REM. Flera bisarra studier har funnit tecken på att drömma under icke-REM-sömn, när långsam vågaktivitet råder i hjärnan - motsatsen till ett oroligt, aktivt, medvetet tillstånd. Och så, tack vare forskning som publicerades i Nature Neurosciece, verkar vi ha börjat famla efter ett svar på ett onda dilemma.
Genom att noggrant övervaka de sovande volontärernas hjärnvågor identifierade ett team forskare från University of Wisconsin en lokal "hot spot" i hjärnan som aktiveras när vi sover, oavsett vilken sömnfas personen befinner sig i.
"Du kan faktiskt identifiera den sovande hjärnans signatur", säger studieförfattaren Dr Francesca Siclari.
Dessutom, med hjälp av en algoritm som utvecklats på grundval av hennes observationer, kunde en grupp forskare förutsäga exakt när en person sover, med 90% noggrannhet och mer …
… och här är det mest intressanta …
… att grovt ta isär drömmarnas innehåll.
"Vi fann att den sovande hjärnan och den vakna hjärnan kan vara mycket mer likadan än föreställt sig", säger Siclari.
Kampanjvideo:
Denna forskning öppnar inte bara för att drömmodellera för PTSD-terapi, men det kan hjälpa forskare att hitta en ledtråd till medvetenhetens mysterium.
"Vikten av den här artikeln är häpnadsväckande", säger Dr Mark Blagrov från Swansea University i Wales, som inte var inblandad i studien.
Sömn anatomi
Under en hel natts sömncykel går vi igenom olika stadier som kännetecknas av distinkta hjärnmönster. Forskare använder ofta EEG för att exakt fånga varje steg i sömnen, vilket innebär att man placerar 256 elektroder på en persons skalle och sedan spårar antalet och storleken på hjärnvågor vid olika frekvenser.
När vi slumrar visar våra hjärnor lågfrekvent aktivitet som färdas över hela ytan. Dessa vågor signalerar att nervceller är i ett "vilande tillstånd" och inte kan kommunicera mellan områden i hjärnan - därför är lågfrekvent aktivitet ofta förknippad med medvetslöshet.
Dessa långsamma fluktuationer i icke-REM-sömn översätts så småningom till högfrekvent aktivitet, vilket signalerar övergången till snabb ögonrörelse. Denna sömnfas är ofta förknippad med levande drömmar - och denna koppling är så djupt rotad i sömnforskning att fall av drömlös RHD eller icke-REM-sömn ofta har ignorerats som konstigheter.
Det visar sig att dessa konstiga fall antydde för oss att vår nuvarande förståelse för sömnens neurobiologi är ofullständig.
Drömfångare
För att ompröva dessa paradoxala resultat övervakade Siclari och hennes team hjärnaktiviteten hos 32 volontärer som använde EEG och väckte dem över natten med slumpmässiga intervall. Forskarna frågade sedan de sömniga deltagarna om de drömde om något, och i så fall vad de drömde exakt. Totalt hände detta 200 gånger per natt.
Men istället för att se en global förändring av aktiviteten i samband med sömn, blev forskarna förvånade över att hitta ett område i hjärnan på baksidan av huvudet som dynamiskt skiftade sin aktivitet baserat på framväxande drömmar.
Drömmar förknippades med en minskning av lågfrekventa vågor i den "heta zonen" och med en ökning av högfrekventa vågor, vilket återspeglar höga nivåer av neurala aktiveringar och hjärnaktivitet. Det var ett slags uppvaknande, oberoende av sömnstadiet eller allmän hjärnaktivitet.
"Allt tyder på att mycket begränsad, väldefinierad hjärnaktivering behövs för att skapa medveten erfarenhet", säger Siclari. "Fram till nu tänkte vi att stora delar av hjärnan måste aktiveras för att skapa medvetna upplevelser."
Det är vettigt att den heta zonen ansluter till åtgärden under sömnen. Tidigare arbete har visat att stimulering av dessa delar av hjärnan med en elektrod kan skapa en känsla av att vara "i en parallell värld." Denna heta zon innehåller också områden som integrerar sensorisk information för att bygga en virtuell modell av världen omkring oss. Denna typ av simulering lägger grunden för många av våra imaginära världar, och denna heta zon är väl lämpad för detta, säger författarna.
Om en aktiv hetzon i själva verket är en "sömnsignatur", bör dess aktivitet kunna avgöra om en person sover vid ett visst ögonblick. Författarna skapade en algoritm baserad på deras resultat och testade dess noggrannhet på en specifik grupp människor.
"Vi väckte dem närhelst algoritmen berättade att de sov, totalt 84 gånger", skriver forskarna.
Totalt visade denna algoritm 90 procent noggrannhet vid analys av närvaron av sömn - även i fall där deltagarna inte kom ihåg innehållet i sina drömmar, men var säkra på att de sov.
Läser drömmar
Eftersom den heta zonen innehåller områden som bearbetar visuell information undrade forskarna om det var möjligt att få tillgång till innehållet i försökspersonernas drömmar med hjälp av EEG-avläsningar.
Drömmar kan vara extremt påtagliga, med händelser som utvecklas eller helt abstrakta, som fri fantasi, säger forskare. Ansikten, platserna, rörelserna och talet är alla kända komponenter i drömmar som bearbetas av lätt identifierbara områden i den heta zonen, så forskarna bestämde sig för att fokusera på dessa aspekter.
Anmärkningsvärt var att de volontärer som rapporterade vad de sa i sina drömmar uppvisade aktivitet i hjärnans områden som var ansvariga för tal; och de som drömde om människor visade aktivitet i centrum för ansiktsigenkänning.
"Detta antyder att drömmar använder samma hjärnområden som medvetna upplevelser under vakning för visst innehåll", säger Siclari och noterar att tidigare forskning bara kunde visa detta i "skymningszonen", övergången mellan sömn och vakenhet.
Slutligen är forskare intresserade av vad som händer när vi sover, men kommer inte ihåg de specifika detaljerna. Det visade sig att detta konstiga tillstånd har en separat EEG-signatur: att memorera detaljerna i sömnen var förknippad med en explosion av högfrekvent aktivitet i hjärnans främre regioner.
Intressanta frågor uppstår till exempel är hjärnans främre lober som är ansvariga för klara drömmar, ett speciellt tillstånd när människor förstår att de sover och kan ändra sömninnehållet.
Att väcka livet
Forskare kan ännu inte förklara vad som aktiverar den heta zonen under sömnen, men svaren kan berätta om sömn har ett biologiskt syfte, till exempel att bearbeta minnen till stora begrepp i världen.
Kartläggning av den sovande hjärnans aktivitet kan också leda till sätt att direkt manipulera våra drömmar med hjälp av icke-invasiva procedurer som transkraniell stimulering. Sömninduktion kan hjälpa människor med sömnlöshet och att störa sömn kan hjälpa PTSD-patienter att få bättre sömn.
Dr Giulo Tononi, huvudförfattare till studien, tror att konsekvenserna av denna studie går långt utöver sömnen.
”Vi kunde jämföra hur den sovande hjärnan beter sig mot den vakna. Denna forskning kan vara en värdefull modell för studier av medvetande, säger han.
ILYA KHEL
