Å huske hvor bilen står parkert, eller hva som skjedde tidligere på dagen, er eksempler på episodisk hukommelse. Denne evnen svekkes ofte med alderen, men kan bli betydelig dårligere hos personer som utvikler Alzheimers sykdom.

En ny studie fra University of California, Berkeley, gir nye ledetråder til hva som kan skje i hjernen. Forskerne fant en sammenheng mellom opphopning av tau-protein i frontallappen, endringer i hjernebølger under dyp søvn og svakere evne til å lagre nye minner.

Studien ble ledet av nevroforsker Omer Sharon under tidligere Berkeley-forsker Matthew Walker. Resultatene er publisert i Nature Neuroscience.

Langsomme bølger hjelper hjernen å lagre minner

Søvn består av flere stadier med ulike mønstre av hjerneaktivitet. Under dyp, ikke-REM-søvn blir store grupper av nerveceller midlertidig inaktive før de aktiveres igjen i en samordnet sekvens.

Denne aktiviteten skaper langsomme elektriske bølger som vanligvis starter i frontallappen og sprer seg over større deler av hjernen.

«Each slow wave reflects an enormous population of neurons switching off and back on together,» Sharon said. «Our study shows that for memory, it's critical that these events cascade in sequence across large parts of the brain. This coordinated shutdown has been observed only during deep sleep, and may be one reason why we sleep.»

Forskerne fant at aktiviteten ble mindre samordnet når mer tau samlet seg opp i hjernen. I stedet for å bevege seg over store områder, ble bølgene kortere, mer spredte og mer uavhengige av hverandre.

«This is the first time we've shown this relationship between tau and how it messes with memory consolidation by attenuating traveling slow waves that originate in the frontal cortex,» sa Sharon, som er postdoktor ved UC Berkeleys Center for Human Sleep Science.

Forskjeller mellom yngre og eldre deltakere

Forskerne registrerte hjerneaktiviteten under søvn ved hjelp av elektroencefalografi, EEG. De sammenlignet kognitivt friske personer i begynnelsen av 20-årene med eldre deltakere fra midten av 60-årene til midten av 70-årene.

Hos de yngre deltakerne beveget grupper av langsomme bølger seg over avstander omtrent tilsvarende bredden på en hånd målt på issen. Hos de eldre gikk bølgene vanligvis kortere og opptrådte mer isolert.

For å undersøke tau nærmere brukte forskerne PET-skanninger av hjernen hos eldre deltakere. Bildene viste at mer tau i frontallappen hang sammen med et sammenbrudd i de lange, vandrende bølgene som normalt oppstår under dyp søvn.

Endringene ble også funnet hos personer som ikke hadde utviklet Alzheimers sykdom.

«These people did not have Alzheimer's,» Sharon said. «They had tau in their brains, but with subclinical impacts. Their memory decline was within the normal range for their age.»

Sharon forklarte at tidlige Alzheimer-relaterte endringer kan variere betydelig i alvorlighetsgrad. Mengden tau i hjernen er knyttet til kognitiv yteevne, også når hukommelsen fortsatt ligger innenfor det som forventes for alderen.

«En­somme bølger» og dårligere ordhukommelse

Forskerne undersøkte deretter om de endrede søvnmønstrene hang sammen med hvor godt deltakerne faktisk husket ny informasjon. Om kvelden lærte deltakerne par av ord. Neste dag skulle de gjengi ordene, slik at forskerne kunne måle hvor effektivt minnene var blitt lagret gjennom natten.

Deltakere med langsomme bølger som beveget seg over kortere avstander og virket mer isolerte, husket vanligvis færre ordpar. Forskerne kalte disse frakoblede mønstrene «lonely waves», eller «ensomme bølger».

En del av deltakerne ble fulgt over flere år. Hos dem som fikk økende nivåer av tau i frontallappen, ble de langsomme bølgene mindre samordnet, samtidig som evnen til å beholde ny informasjon over natten ble dårligere.

Observasjonene viser en sammenheng mellom tau, endret hjerneaktivitet under dyp søvn og svekket episodisk hukommelse. De beviser imidlertid ikke at tau direkte forårsaker hukommelsestap, eller at de forstyrrede bølgene er selve mekanismen.

Funn fra ryggmargsvæske peker i samme retning

PET-skanninger er kostbare og krever spesialiserte fasiliteter. Derfor samarbeidet forskerne med nevrolog Yo-El Ju ved Washington University i St. Louis for å analysere ryggmargsvæske fra en separat gruppe eldre voksne.

Målet var å undersøke om proteiner knyttet til Alzheimers sykdom kunne vise et mønster som lignet det forskerne hadde sett i hjernebildene. Ryggmargsvæsken kunne ikke vise tau spesielt i frontallappen, men resultatene pekte likevel i samme retning.

Personer hvis hjerner produserte mer isolerte langsomme bølger under søvn, hadde høyere forhold mellom tau og amyloid i ryggmargsvæsken. Amyloid er et annet protein som er nært knyttet til Alzheimers sykdom.

At funnene gikk igjen i uavhengige grupper og med ulike målemetoder, styrket forskernes tillit til sammenhengen.

«It's collected in a totally different place and in a different cohort, so I think that adds to the strength of the evidence,» Sharon said.

Samlet tyder søvnregistreringer, hjernebilder, analyser av ryggmargsvæske og hukommelsestester på at tau er knyttet til en bestemt forstyrrelse av hjerneaktiviteten under dyp søvn.

«This longitudinal correlation suggests that Alzheimer's disease pathology is associated with a disruption of this main sleep feature,» Sharon said.

Årsakssammenhengen er fortsatt uklar

Funnene peker på at aldersrelatert hukommelsessvikt kan handle om mer enn selve aldringen. Tau i områder som bidrar til å skape langsomme bølger over store deler av hjernen, kan være en del av forklaringen på hvorfor enkelte får større problemer med å lagre minner.

«It's not just about age,» Sharon said. «It's how much pathology you have in frontal areas where global waves originate.»

Forskerne mener organiseringen og bevegelsen til de langsomme hjernebølgene kan gi informasjon om hvor effektivt hjernen utfører nattens minnefunksjoner. Endringer i dyp søvn kan på sikt bidra til å forstå eller identifisere tidlige hukommelsesproblemer, og kan også peke mot mulige mål for framtidige behandlinger.

Det er likevel uklart hva som kommer først. Tau kan bidra til at de samordnede søvnbølgene brytes ned, endringer i bølgene kan påvirke tau-opphopningen, eller begge deler kan skyldes andre prosesser.

«We can see tau and lonely waves rising together over time,» Sharon said. «What we cannot yet say is which leads -- and that question will shape how we design interventions.»

Studiens øvrige medforfattere er Xi Chen, James Westphal, Chelsea Brown og Vyoma D. Shah fra UC Berkeley, samt Jason Dude fra Washington University i St. Louis. Studien ble finansiert gjennom bevilgninger fra National Institute on Aging ved National Institutes of Health. Sharon mottok også støtte fra Glenn Foundation for Medical Research Postdoctoral Fellowship og Weill Neurohub Fellowship.