Мозг потребляет значительно больше энергии, чем большинство других органов. Тем не менее он способен продолжать обработку информации даже при ограниченных ресурсах, перераспределяя доступную энергию. Учёные до сих пор изучают, как мозг управляет этим энергетическим балансом при переходе между различными внутренними состояниями.
Сон представляет собой удобную модель для исследования данного вопроса. Хотя тело отдыхает, мозг продолжает работать, особенно в фазе быстрого сна (REM-сна), которая тесно связана со сновидениями и обработкой памяти. Эту фазу часто называют «парадоксальным сном», поскольку тело остаётся почти неподвижным, а активность мозга напоминает состояние бодрствования.
Исследователи из Университета Тохоку обнаружили ещё один парадокс REM-сна. В этой фазе кажущееся поступление энергии к видящему сны мозгу возрастает, однако уровень молекулы ATP — источника энергии, который напрямую используют нейроны, — снижается. Результаты работы опубликованы в журнале Communications Biology.
«Знакомо ли вам чувство истощения после яркого сна? — спрашивает профессор Ко Мацуи из Университета Тохоку. — Сон может казаться спокойным, но мозг в это время очень активен, особенно когда мы видим сны. Нас заинтересовал этот парадокс, и мы захотели разобраться в научной основе того, почему сновидения могут утомлять».
Чтобы изучить, что происходит с энергией мозга во время сна, учёные с помощью УФ-отверждаемой смолы сделали черепа мышей прозрачными, что позволило наблюдать за мозгом в естественном сне. Методом широкопольной флуоресцентной визуализации они отслеживали изменения объёма крови в мозге как показатель поступления «топлива». Также измерялись нейронный ATP — энергетическая молекула, питающая нейроны, — и астроцитарный пируват, ключевое соединение, связывающее глюкозу из крови с энергетическим обменом в мозге.
Для медленного сна характерна сильная нейронная активность в дельта-диапазоне, но при этом возникают и менее выраженные тета-колебания. Исследователи выяснили, что эти тета-изменения позволяют предсказать сдвиги в объёме мозговой крови через несколько секунд. Такая закономерность говорит о том, что спящий мозг регулирует свои сосуды в ответ на меняющуюся нейронную активность и метаболические потребности. Примерно за 50 секунд до классического начала REM-сна объём крови в мозге начинал расти: процесс стартовал в задней части коры и затем распространялся вперёд, указывая на масштабный механизм, который может заранее готовить мозг к этой фазе.
С наступлением REM-сна повышался и уровень астроцитарного пирувата, что соответствовало либо увеличению доступного метаболического топлива, либо усилению гликолиза в астроцитах. Однако одновременно падал уровень нейронного ATP. У этого снижения может быть несколько объяснений. Нейроны могут расходовать большие объёмы ATP во время REM-сна для поддержки синаптической реорганизации, связанной с памятью, взаимодействия между гиппокампом и корой или масштабных перестроек в нейронных цепях. Другая возможность — изменение передачи метаболических ресурсов от астроцитов к нейронам в этой фазе. Также может меняться и выработка ATP митохондриями.
Какой бы ни была причина, результаты показывают, что видящий сны мозг может работать в условиях необычно высоких энергетических затрат даже при увеличении поступления топлива. Эти данные могут отражать и более фундаментальные принципы биологических вычислений. В отличие от обычных компьютеров, мозг животных вынужден работать в жёстких метаболических рамках. Вместо равномерного распределения энергии по всему мозгу нервная система может перенаправлять ресурсы в зависимости от поведения, потребностей памяти и других внутренних нужд.
«Понимание того, как мозг балансирует между поступлением и расходом энергии, может помочь объяснить, почему биологический интеллект настолько эффективен, — поясняет ведущий исследователь Юсуке Такахаси. — REM-сон даёт нам естественный пример того, как мозг перестраивает свою энергетическую экономику для поддержки сложной внутренней обработки». Сон играет ключевую роль в таких функциях, как закрепление памяти и поддержание умственной работоспособности на следующий день. Выявив, как меняются поступление и расход энергии во время REM-сна, исследование добавляет ещё один фрагмент в понимание того, почему сон важен не только для тела, но и для мозга.