Мышиный мозг во сне: кровь прибывает, а энергия нейронов убывает

Сон выглядит покоем, но в мозге идёт активная работа. Японские исследователи смотрели, как у мышей меняются кровоснабжение, питательные вещества в астроцитах и уровень энергии в нейронах. Они нашли странную вещь: в REM-сне кровь приливает сильнее, а запасы АТФ в нейронах резко падают.

Три сигнала одновременно

Эксперимент провели на 15 самцах мышей старше 15 недель. Животным через неповреждённый череп одновременно измеряли объём крови в мозге, уровень пирувата в астроцитах и уровень АТФ в нейронах. Для этого использовали широкопольную флуоресцентную микроскопию: мышам вводили вирусный вектор, чтобы кровеносные сосуды светились красным, и смотрели, как этот сигнал меняется вместе с двумя другими.

Сон и бодрствование определяли по электрокортикограмме и электромиограмме. Сигналы красного и жёлтого флуоресцентных белков были сильно обратно связаны во всех состояниях: в NREM-сне, REM-сне и бодрствовании. Это значит, метод действительно ловил изменения объёма крови.

Тета-ритм опережает кровоток

Во время NREM-сна тета-активность на электрокортикограмме предшествовала изменениям объёма крови примерно на 4–5 секунд. Связь была умеренной: не идеальная, но вполне заметная. В REM-сне и бодрствовании та же связь была уже слабой. Когда исследователи применили индивидуально подобранную функцию ответа сосудов, предсказание улучшилось.

Авторы предполагают, что во время NREM-сна мозг подстраивает приток крови под текущие потребности нейронов. Это не доказано, но данные согласуются с такой идеей.

REM-сон начинается заранее

Перед классическим началом REM-сна объём крови в мозге начинал расти примерно за 50 секунд. Волна кровотока начиналась в задней коре и медленно распространялась по мозгу. При этом уровень пирувата в астроцитах и АТФ в нейронах не менялись. Лишь когда наступал сам REM-сон, пируват в астроцитах рос, а АТФ в нейронах резко снижался.

Авторы думают, что рост кровотока перед REM-сном может быть связан с изменением уровня нейромодуляторов, которые меняют тонус сосудов. Прямых измерений норадреналина и ацетилхолина не делали, так что это остаётся гипотезой. Они также предполагают, что в пред-REM-фазе дополнительная доставка субстратов может компенсироваться ростом потребления, поэтому уровни пирувата и АТФ не меняются.

Почему это не про людей

Главный вывод простой: в REM-сне кровоснабжение мозга усиливается, но нейроны при этом теряют энергию. Доставка и потребление, похоже, расходятся. Правда, исследование проводили только на самцах мышей, так что переносить это на самок или на человеческий мозг рано. Работа вышла в журнале Communications Biology.

Нельзя сказать, что снижение АТФ в REM-сне вредно, что кровоток вызывает REM-сон или что тета-ритм напрямую управляет сосудами. Это наблюдательное исследование, и оно скорее открывает вопросы, чем даёт ответы.