Учёные из Университета Тохоку обнаружили необычную особенность работы мозга во время фазы быстрого сна (REM), связанной со сновидениями и обработкой воспоминаний. В этот период объём крови, поступающей к мозгу, увеличивается, однако содержание аденозинтрифосфата (АТФ) — молекулы, которую нейроны используют как источник энергии, — снижается. Результаты исследования опубликованы в журнале Communications Biology.
Для наблюдений исследователи сделали черепа мышей прозрачными с помощью отверждаемой ультрафиолетом смолы. Это позволило отслеживать естественный сон животных в реальном времени. Метод широкопольной флуоресцентной визуализации применили для измерения объёма крови в мозге, уровня нейронального АТФ и содержания пирувата в астроцитах — клетках, участвующих в превращении глюкозы в энергию.
Во время медленного сна изменения активности нейронов в тета-диапазоне предсказывали колебания объёма крови в мозге, которые возникали спустя несколько секунд. Такая последовательность указывает, что сосуды реагируют на изменения активности нервных клеток и их метаболических потребностей. При переходе к REM-сну картина менялась.
Примерно за 50 секунд до начала REM-фазы объём крови в мозге начинал расти. Сначала это происходило в задней части коры, а затем распространялось вперёд, что может свидетельствовать о предварительной метаболической подготовке мозга к сновидениям. После наступления REM-сна в астроцитах повышался уровень пирувата, указывая на увеличение доступного топлива или усиление гликолиза.
Одновременно концентрация АТФ в нейронах уменьшалась. Профессор Университета Тохоку Ко Мацуи связал это с высокой активностью мозга во время ярких сновидений: «Ever felt exhausted after a vivid dream?» («Вы когда-нибудь чувствовали себя уставшим после яркого сна?»). По словам учёного, нейроны могут расходовать значительные объёмы АТФ на перестройку синапсов, связанную с памятью, обмен сигналами между гиппокампом и корой, а также на изменения в работе крупных нейронных сетей.
Исследователи также допускают, что во время REM-сна меняется передача энергетических ресурсов от астроцитов к нейронам или работа митохондрий, производящих АТФ. Руководитель исследования Юсукэ Такахаси отметил: «Understanding how the brain balances energy supply and consumption may help explain what makes biological intelligence so efficient» («Понимание того, как мозг уравновешивает поступление и расход энергии, может помочь объяснить эффективность биологического интеллекта»). Полученные данные дополняют представления о роли сна в консолидации памяти и поддержании умственной работоспособности на следующий день.