Ученые обнаружили энергетический парадокс в мозге во время фазы быстрого сна

Фото из открытых источников

Недавнее исследование, опубликованное в журнале Communications Biology, предоставляет доказательства того, что мозг управляет своими энергетическими ресурсами удивительно по-разному в зависимости от того, находится ли он в состоянии глубокого сна или в состоянии сновидения. Наблюдая за живым мозгом, ученые обнаружили, что во время фазы быстрого движения глаз мозг получает приток крови и питательных веществ, но при этом фактический уровень энергии внутри нейронов падает. Это указывает на то, что спящий мозг может отдавать приоритет сложной обработке памяти или биологической защите, а не поддержанию стабильных запасов энергии.

Мозгу необходим постоянный приток энергии для обработки информации и поддержания основных биологических функций. Когда нейрон посылает электрический сигнал, он изменяет баланс заряженных ионов на своей клеточной мембране. Восстановление этого баланса требует огромного количества энергии для работы специализированных молекулярных насосов. Эта энергия в основном поступает через кровоток в виде глюкозы.

Попав в мозг, глюкоза поглощается непосредственно нейронами или звездообразными вспомогательными клетками, называемыми астроцитами. Астроциты преобразуют глюкозу в молекулу пирувата, которая служит промежуточным звеном для производства аденозинтрифосфата, обычно известного как АТФ. АТФ является основным химическим топливом, обеспечивающим энергией клетки. В нормальных условиях бодрствования запас этих энергетических субстратов обычно соответствует уровню активности мозга.

Во время сна мозг остается очень активным, обрабатывая воспоминания и восстанавливая биологические системы. Сон условно делится на сон без быстрых движений глаз (NREM), характеризующийся глубокими, медленными мозговыми волнами, и сон с быстрыми движениями глаз (REM), состояние, характеризующееся более быстрыми мозговыми волнами и яркими сновидениями. Авторы хотели понять, как именно мозг распределяет свои ограниченные метаболические ресурсы между этими различными физиологическими состояниями.

«Фронтальная фаза сна — это парадоксальное состояние: тело глубоко расслаблено, но мозг удивительно активен», — объясняет профессор Ко Мацуи из Университета Тохоку в Сендае, Япония. «Это заставило нас задуматься о том, что происходит с энергетической системой мозга в этом необычном состоянии».

Мацуи отмечает, что, поскольку фаза быстрого сна (REM-сон) включает в себя яркие сновидения и интенсивную электрическую активность, команда предположила, что метаболические потребности будут отражать эту интенсивность. «Благодаря новым методам флуоресцентной визуализации мы смогли наблюдать объем крови и молекулы, связанные с энергией, в больших областях мозга и выяснить, как они изменяются по мере перехода мозга между фазами медленного и быстрого сна», — сказал Мацуи.

Для отслеживания этих метаболических изменений исследователи изучили мозг 15 живых самцов мышей. Они использовали генетически модифицированных животных, экспрессирующих флуоресцентные сенсоры, что позволило команде визуально измерить уровни АТФ внутри нейронов и уровни пирувата внутри астроцитов. Ученые нанесли на неповрежденные черепа животных прозрачную УФ-отверждаемую смолу, чтобы сохранить видимость. Этот метод позволил избежать инвазивных хирургических вмешательств, которые могли бы нарушить естественный кровоток или изменить внутричерепное давление.

Затем исследователи поместили животных под широкопольные флуоресцентные микроскопы, чтобы одновременно отслеживать объем крови в мозге, пируват и АТФ. Они записывали показания животных в течение нескольких часов, наблюдая за естественным переходом мышей от одного состояния сна к другому и от одного состояния бодрствования к другому. Электронные мониторы, прикрепленные к мышцам черепа и шеи, позволили команде точно определить, когда мыши бодрствовали, находились в фазе медленного сна (NREM) или в фазе быстрого сна (REM), на основе мозговых волн и расслабления мышц.

Во время фазы медленного сна исследователи наблюдали тесную координацию между электрической активностью мозга и передачей энергии. Определенные электрические паттерны, известные как тета-волны головного мозга, надежно предсказывали изменения объема крови в мозге примерно за четыре-пять секунд. В этой фазе глубокого сна объем крови колебался быстрыми волнами, которые распространялись от передней части мозга к задней примерно за одну секунду.

Разделив изображения коры головного мозга на сетку, исследователи составили карту того, как различные области мозга синхронизируют кровоток. Во время фазы медленного сна изменения объема крови были в некоторой степени локализованы. Кора головного мозга разделилась на несколько отдельных функциональных кластеров, что указывает на наличие организованной системы, которая регулирует локальный кровоток, чтобы предвосхищать энергетические потребности конкретных нейронных цепей мозга в состоянии покоя.

Метаболическая среда резко изменилась, когда мыши перешли в фазу быстрого сна (REM-сна). Примерно за 50 секунд до официального начала REM-сна объем крови в мозге начал резко увеличиваться. Это масштабное увеличение началось в задних отделах мозга и медленно распространялось вперед в течение 15 секунд. Во время REM-сна локальные, быстрые колебания уменьшились, и мозг испытал мощную волну увеличения объема крови, которая синхронизировала обширные участки коры головного мозга.

После начала фазы быстрого сна объем крови оставался повышенным, и, соответственно, повышался уровень пирувата в астроцитах. В нормальных условиях увеличение кровотока и поступление промежуточных питательных веществ, таких как пируват, должно было бы повысить клеточную энергию. Однако исследователи обнаружили, что уровень АТФ в нейронах резко снижался во время фазы быстрого сна.

«Энергетическая система мозга гораздо динамичнее, чем просто „больше кровотока означает больше энергии для нейронов“», — сказал Мацуи. «Во время фазы быстрого сна мы обнаружили то, что мы называем „энергетическим парадоксом“: объем мозговой крови увеличился, а количество пирувата в астроцитах возросло, в то время как количество АТФ в нейронах уменьшилось».

Астроциты относятся к более широкой категории вспомогательных клеток, известных как глиальные клетки. Как объяснил Мацуи, это несоответствие между доставкой питательных веществ и конечным производством энергии указывает на чрезвычайно сложную систему поддержки. «Это говорит нам о том, что снабжение энергией, передача энергии, производство энергии и потребление энергии могут вести себя совершенно по-разному. Это также предполагает, что кровеносные сосуды, глиальные клетки и метаболизм могут быть более активно вовлечены в функционирование мозга, чем мы традиционно предполагали».

Чтобы убедиться, что это снижение уровня энергии характерно только для фазы быстрого сна (REM-сна), команда провела отдельный эксперимент на трех мышах, всего девять испытаний. Они использовали препарат нитропруссид натрия, химический вазодилататор, для искусственного расширения кровеносных сосудов. При введении этого препарата результирующее увеличение объема крови сопровождалось ожидаемым увеличением как пирувата в астроцитах, так и АТФ в нейронах.

Размышляя об этих различиях, Мацуи отмечает, что тест с вазодилататором показал ожидаемые результаты, что делает результаты, полученные при изучении естественного сна, еще более неожиданными. «Самым большим сюрпризом стало то, что уровень АТФ в нейронах снижался во время фазы быстрого сна, несмотря на увеличение объема крови», — говорит Мацуи. «Когда мы искусственно увеличивали объем крови с помощью вазодилататора, уровень пирувата в астроцитах повышался, и в конечном итоге уровень АТФ в нейронах также увеличивался, что и ожидалось. Фаза быстрого сна вела себя совершенно иначе».

Физическое движение крови также привлекло внимание исследователей. «Нас также удивило, насколько сложной была сама сосудистая активность: изменения объема крови образовывали пространственные волны, меняли направление и резко реорганизовывались в зависимости от состояния сна», — говорит Мацуи.

Для интерпретации этих энергетических колебаний необходимо учитывать несколько биологических контекстов. Исследование основано на моделях животных, и метаболизм мозга мышей может отличаться от функций мозга человека. Методы визуализации измеряют флуоресцентные сигналы как косвенные показатели объема крови и концентрации химических веществ, а это значит, что они не предоставляют абсолютных числовых значений молекул в мозге. Исследователи также не измеряли напрямую локальные уровни кислорода или другие метаболиты, такие как лактат, которые могли бы дать более полную картину химической среды.

Мацуи предостерегает от чрезмерно упрощенных выводов, сделанных на основе снижения уровня АТФ. «Наши результаты не означают, что фаза быстрого сна — это просто состояние „нехватки энергии“, и они не показывают, что изменения в кровеносных сосудах вызывают переход в фазу быстрого сна», — говорит Мацуи. Вместо этого, полученные данные отражают сложную внутреннюю экономику, включающую специализированные клеточные компоненты, такие как митохондрии, которые вырабатывают большую часть АТФ клетки.

«Концентрация АТФ отражает баланс между производством и потреблением АТФ», — объяснил Мацуи. «Поэтому снижение может быть результатом увеличения потребления энергии, изменения переноса метаболических субстратов от астроцитов к нейронам, изменений в производстве АТФ в митохондриях или некоторой комбинации этих механизмов». Он добавляет: «Наши эксперименты также проводились на мышах, поэтому потребуются дальнейшие исследования, чтобы определить, насколько непосредственно эти результаты применимы к человеческому мозгу».

В дальнейшем исследовательская группа надеется точно выяснить, почему происходит это падение уровня энергии. «В краткосрочной перспективе мы хотели бы понять, почему уровень АТФ в нейронах падает во время фазы быстрого сна, включая возможные изменения в метаболическом переносе от астроцитов к нейронам и в функции митохондрий», — сказал Мацуи. «Наша долгосрочная цель — понять, как метаболическая сеть мозга взаимодействует с его нейронной сетью обработки информации».

Мацуи подчеркнул растущий интерес к тому, как системы жизнеобеспечения могут определять возможности мозга. «В более широком смысле, однако, нас интересует, могут ли сосудистые, глиальные и метаболические состояния активно влиять на то, на что способны нейронные цепи, а не просто реагировать на нейронную активность», — говорит Мацуи.

«Одно из открытий, которое меня особенно заинтересовало, заключается в том, что в сигналах, которые нейронаука часто рассматривала в основном как вспомогательные, может быть скрыто огромное количество биологической информации», — сказал Мацуи. «Кровеносные сосуды, астроциты и метаболические молекулы продемонстрировали богатую пространственную и временную динамику, которую нельзя было предсказать, просто исходя из электрической активности нейронов».

Это указывает на то, что интеллект и функции мозга зависят от гораздо более широкого круга биологических факторов, чем одни только нейроны. «Таким образом, мы можем наблюдать дополнительный уровень обработки информации в мозге — уровень, созданный взаимодействием нейронных, глиальных, сосудистых и метаболических сетей», — сказал Мацуи.