Мозг во сне испытывает энергетический голод: открытие японских нейробиологов

Человеческий мозг — главный потребитель энергии в организме. Его основное «топливо» — молекулы АТФ. Долгое время считалось, что чем активнее нейроны, тем больше крови приносит к ним энергию. Однако эта модель не объясняла сложные процессы, происходящие во время сна, особенно в фазе быстрых движений глаз (REM-сон), когда мы видим сновидения.

Парадоксы быстрого сна

Ранее учёные уже фиксировали загадочные явления. В 2022 году было показано, что во время REM-сна у мышей возникают мощные приливы крови к мозгу. А в 2020-м нейробиологи обнаружили, что уровень АТФ при этом не растёт, а падает. Японские исследователи решили проследить всю метаболическую цепочку в динамике, чтобы найти причину этого противоречия.

Они наблюдали за мозгом мышей через химически осветлённый череп. С помощью генетически встроенных флуоресцентных сенсоров учёные одновременно отслеживали три ключевых параметра: изменение объёма крови в микрососудах, динамику уровня пирувата (главного энергетического сырья) и уровень самого АТФ. Эти данные сопоставлялись с записями электрической активности мозга и мышц, что давало картину на всех стадиях — от медленного сна до бодрствования.

Энергетический голод под маской изобилия

Результаты показали, что в медленном сне мозг работает эффективно и экономно. Колебания ритма мозга с высокой точностью предсказывали расширение сосудов и приток крови на 4–5 секунд вперёд, а волны кровотока упорядоченно двигались от передних отделов к затылочным.

Однако при переходе в фазу быстрого сна картина резко менялась. Примерно за 50 секунд до её 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. Но, вопреки ожиданиям, уровень АТФ в нейронах не рос, а стремительно падал.

Учёные объясняют этот феномен тем, что во время REM-сна потребление энергии нейронами резко 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 — сложные и энергозатратные процессы.

Исходя из этого, интенсивный приток крови может маскировать острый энергетический голод мозга. Авторы исследования предполагают, что это может сказываться на здоровье сна и иметь отношение к нейродегенеративным заболеваниям, связанным с нарушением энергетического обмена.