Исследователи давно пытаются понять, почему во время быстрого сна мозг, отключенный от внешнего мира, потребляет почти столько же энергии, как при бодрствовании.
Японские нейробиологи выяснили, что во время REM-сна приток крови к мозгу резко возрастает. Однако уровень главного клеточного топлива падает, что указывает на огромный расход энергии на обработку памяти и сами сновидения.
Мозг человека — главный потребитель энергии в организме. Основным источником энергии служат молекулы АТФ. Долгое время считалось, что между работой нейронов и доставкой им энергии с кровью существует прямая связь. Чем больше активности, тем больше крови. Однако эта модель не объясняла сложное взаимодействие внутри организма в разных состояниях сознания, таких как сон.
Авторы прошлых научных работ уже фиксировали загадочное явление. Например, в 2022 году ученые показали, что во время REM-сна (фазы быстрого сна), когда человек видит сновидения, в мозге мышей случаются мощные приливы крови. В 2020-м нейробиологи обнаружили, что уровень АТФ в нейронах при этом не растет, а падает.
Японские ученые из Университета Тохоку проследили всю метаболическую цепочку в динамике, чтобы найти причину этого противоречия. Они наблюдали за мозгом мышей через химически осветленный череп. Результаты исследования опубликованы в Communications Biology.
С помощью генетически встроенных флуоресцентных сенсоров нейробиологи в реальном времени одновременно отслеживали три ключевых параметра: изменение объема крови в микрососудах мозга, динамику уровня пирувата (главного энергетического сырья) и уровень самого АТФ. Эти данные сопоставляли с записями электрической активности мозга и мышц, что давало картину происходящего на всех стадиях — от медленного сна до бодрствования.
Результаты показали, что в медленном сне мозг работает эффективно и экономно. Колебания ритма мозга с высокой точностью предсказывали расширение сосудов и приток крови на четыре-пять секунд вперед, а волны кровотока упорядоченно двигались от передних отделов к затылочным. Однако при переходе в фазу быстрого сна эти показатели стремительно менялись. Примерно за 50 секунд до ее начала в задних отделах коры запускалась медленная, но мощная волна расширения сосудов, которая за 15 секунд охватывала весь мозг.
Вслед за этим резко повышался уровень пирувата, сигнализируя о массированном поступлении сырья для производства энергии. Именно в этот уровень АТФ в нейронах не только не рос, а стремительно падал. Потребность энергии была избыточной, а ее доступность для главных клеток мозга — минимальной.
Исследователи объяснили этот феномен тем, что во время REM-сна потребление энергии нейронами возрастает. Мозг в этой фазе, тесно связанной со сновидениями и обработкой памяти, не отдыхает, а, напротив, выполняет тяжелейшую вычислительную работу. Энергия сгорает быстрее, чем поступает, расходуясь на реорганизацию синапсов и консолидацию воспоминаний — сложный и энергозатратный процесс.
Исходя из этого, интенсивный приток крови может маскировать острый энергетический голод мозга, что может сказываться на здоровье сна, даже в случае некоторых нейродегенеративных заболеваний с нарушением энергетического обмена.
Автор: Андрей Серегин