Сон – это не просто отсутствие бодрствования, а активное состояние мозга со своими собственными процессами. Долгое время оставалось загадкой, как именно синхронизируются ключевые показатели работы мозга: электрическая активность, кровоток и энергопотребление.
В исследовании, опубликованном в журнале Nature Сommunications, ученые применяют уникальный мультимодальный метод визуализации этих трех показателей и демонстрируют то, какой это сложный и тонко организованный процесс. В частности, это особое состояние, в котором сохраняются сенсорные реакции и раскрывается сложный, чередующийся баланс нейронной, гемодинамической и метаболической динамики.
Для человека и животных сон – крайне важная функция организма. В период медленного сна мозг остается активным, и в это время происходят важные изменения активности нейронов, кровотока и метаболизма. Предполагается, что во сне мозг очищается от токсичных продуктов обмена, а нарушения сна могут приводить к их накоплению. Исследования указывают на то, что, вероятно, существует связь между нарушениями сна и развитием нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера. Однако то, как эти три процесса скоординированы во времени и пространстве при переходе от бодрствования ко сну, остается неизвестным, а набор инструментов, позволяющих одновременно наблюдать за ними, довольно ограничен.
Группа американских исследователей совершила прорыв в этом направлении. Для отслеживания нейронной динамики, кровотока и метаболической активности во время сна применили уникальную методику одновременной трехмодальной визуализации с использованием электроэнцефалографии (ЭЭГ), функциональной позитронно-эмиссионной томографии (фПЭТ) и функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ). Во время сна у человека регистрировали ЭЭГ для отслеживания фаз сна, фПЭТ – для отслеживания быстрых изменений потребления мозгом глюкозы, что представляет собой ключевой элемент метаболизма, а фМРТ – для отслеживания динамики кровотока. Включение в эту мультимодальную структуру фПЭТ
Применение этой методики позволило авторам работы сделать несколько важных открытий. Во-первых, обнаружилось, что по мере погружения в сон, когда общее потребление глюкозы мозгом снижается, амплитуда медленных колебаний кровотока, наоборот, резко возрастает. Ранее полагалось, что снижение метаболической активности должно сопровождаться и одновременным падением активности кровотока. В этом же исследовании показано, что во время медленного сна эти процессы противоположны, что указывает на сложную регуляцию.
Во-вторых, исследователи обнаружили, что две функциональные сети головного мозга по-разному ведут себя во время сна. В частности, сенсомоторная сеть демонстрировала очень сильные низкочастотные (~0.02 Гц) колебания кровотока, в то время как ее метаболическая активность (потребление глюкозы) снижалась не так сильно, как в других областях. Эта сеть оставалась «настороже». А сеть пассивного режима работы мозга, которой отводят роль участника сложного мышления, показала противоположную картину: слабые колебания кровотока и самое значительное подавление метаболизма. Эта сеть как бы «отключается».
Это исследование демонстрирует, что сон – это не просто глобальное «отключение» или даже переход в более «медленный» режим работы, а тонко настроенный процесс, в котором разные сети мозга ведут себя по-разному, чтобы сохранить жизненно важные функции. При активной сенсомоторной сети организм может быстро реагировать на внешние опасности, а с подавленной активностью сети пассивного режима работы мозга подавляются когнитивные функции, что позволяет человеку отдохнуть.
С практической точки зрения эта работа открывает перспективы для новых исследований в медицине сна. Методика одновременной ЭЭГ-ПЭТ-фМРТ позволит изучать, как нарушение этой сложной координации при бессоннице, апноэ и других расстройствах сна способствует развитию неврологических и психических заболеваний, включая нейродегенерацию. Понимание этих механизмов – ключ к разработке новых методов диагностики и терапии.
Текст: Анна Удоратина