Парадокс REM-сна: сновидения могут истощать энергию мозга, даже когда снабжение топливом растёт

Мозг потребляет чрезвычайно много энергии по сравнению с другими органами, но способен продолжать обработку информации при её ограничении, перераспределяя доступные ресурсы. Команда профессора Ко Мацуи из Университета Тохоку изучала этот вопрос на мышах: с помощью УФ-отверждаемой смолы черепа животных делали прозрачными и наблюдали за мозгом во время естественного сна методами широкопольной флуоресцентной визуализации. Отслеживались изменения объёма мозговой крови как показателя притока «топлива», уровень нейронального АТФ и астроцитарный пируват — ключевое соединение, связывающее глюкозу из крови с энергетическим метаболизмом. Оказалось, что тета-колебания в не-REM-сне предсказывают изменения объёма крови через несколько секунд, то есть спящий мозг подстраивает сосуды под меняющуюся нейронную активность. Примерно за 50 секунд до классического начала REM-сна объём крови начинал расти — сначала в задней коре, затем распространяясь вперёд, что указывает на крупномасштабный процесс метаболической подготовки к REM-сну. С началом REM-сна рос и астроцитарный пируват, но нейрональный АТФ при этом падал.

Причины снижения АТФ пока не установлены: нейроны могут расходовать его на реорганизацию синапсов, связанную с памятью, на коммуникацию между гиппокампом и корой или на масштабные переключения в нейронных цепях; кроме того, возможны изменения в передаче метаболических ресурсов от астроцитов к нейронам или сдвиги в митохондриальной продукции АТФ. Как отмечает ведущий исследователь Юсуке Такахаси, понимание того, как мозг балансирует снабжение и потребление энергии, помогает объяснить эффективность биологического интеллекта, а REM-сон даёт естественный пример перестройки энергетической экономики ради сложной внутренней обработки. Поскольку сон критически важен для консолидации памяти и поддержания умственной работоспособности на следующий день, работа, опубликованная в Communications Biology, добавляет ещё один фрагмент в понимание того, почему сон необходим не только телу, но и мозгу.

Работа подчёркивает, что в отличие от обычных компьютеров животный мозг вынужден работать в жёстких метаболических рамках и, по-видимому, перераспределяет ресурсы в зависимости от поведенческого состояния, потребностей памяти и других внутренних нужд, а не снабжает энергией все участки равномерно.