Оксфордские исследователи доказали, бег как образец стереотипного поведения снижает потребность мозга в энергии и добавляет дополнительное время к бодрствованию. Во всяком случае эту закономерность удалось продемонстрировать на мышах.
В журнале Nature Communications ученые сообщают, что при беге количество нервных импульсов в сенсомоторной коре уменьшается до 30 процентов, что экономит энергозатраты и позволяет мозгу поддерживать режим бодрствования немного дольше.
Тема сна – одна из наиболее молодых в нейробиологии и пока что имеет очень много белых пятен. Постепенно эти белые пятна заполняются, но исследователи все еще не могу до конца ответить на вопрос, что же из себя представляет та «сила», которая укладывает нас спать, и с чем связано так называемое «давление сна». Согласно теории «процесса S» или гомеостаза (постоянство среды, баланс) чем дольше мы бодрствуем, тем больше условной усталости накапливается и с тем большей вероятностью мы заснем. Этот процесс сравнивают с песочными часами – как только мы засыпаем, песчинки-силы начинают пересыпаться обратно, и если дать себе слишком мало сна, то на следующий период бодрствования останется меньше сил.
Последние данные свидетельствуют о том, что сон инициируется не мозгом в целом, а локальными сетями нейронов, которые использовались во время бодрствования чаще и тратили больше энергии. Исследователи из Оксфорда заинтересовались, могут ли части мозга, ответственные за определенное поведение, влиять на продолжительность бодрствования, и как именно.
Изучить это решили на мышах, которые известны своей «страстью» к бегу в колесе и могут спонтанно набегать километры за весь период бодрствования (который у них приходится, в основном, на ночь). При этом на сон им порой требуется гораздо меньше времени. Неужели причиной этому служит повторяющееся поведение?
Активность коры головного мозга регистрировали на уровне отдельных нервных клеток в то время, когда животные двигались в колесе, и сравнивали с их активностью при бодрствовании вне колеса. Интересно, что при беге она снижалась в моторной и сенсорной областях коры в среднем на 30 процентов. Это говорит о том, что, как ни парадоксально, активная физическая, но стереотипная деятельность в целом не требует от мозга более высоких энергозатрат и даже их снижает.
Исследователи также отметили, что когда животные находятся в активном бодрствовании – например, изучают местность, общаются, чистят шерсть – их нейроны испускают электрические импульсы совершенно хаотично по частоте (то медленно, то быстро). Но как только они переходят на стереотипное оповедение, картина нейрональной активности становится гораздо более регулярной. То есть это говорит о том, что, к примеру, бег связан не только с меньшей активностью мозга в целом, но и с его более стабильным, однородным состоянием.
Предыдущие исследования показали, что чем дольше животное бодрствует, тем более возбудимым становится мозг. В среднем, его активность за день возрастает на 10 процентов, как будто он «перегревается». Но если мыши проводили много времени в колесе, то такого увеличения не происходило. И они могли бодрствовать больше, чем те грызуны, кого оставляли без колеса и у кого не было возможности «переключаться». Из этого ученые заключили, что если нейроны не используются, они не становятся более возбудимыми и «экономят» энергию.
Основываясь на этих наблюдениях, ученые пришли к выводу, что если бы в течение дня у животных было больше задач, требующих стереотипного и повторяющегося поведения (например, бега), то состояние мозга при этом бы отличалось от «обычного» и обеспечивало организм бОльшими преимуществами. И это можно видеть в других научных исследованиях – не раз уже говорилось о том, что короткие периоды физических упражнений могут быть полезны для когнитивных функций и даже действовать аналогично краткому сну.
Пока что исследователи не могут ответить на вопрос, почему возникает такая закономерность. Возможно, в этом помогут более детальные эксперименты.
Текст: Анна Хоружая