Podczas snu REM w mózgu obserwuje się niezwykłą kombinację zjawisk: wzrasta przepływ krwi oraz poziom ważnego składnika metabolicznego, podczas gdy jednocześnie w komórkach nerwowych spada poziom ATP – głównego źródła energii dla mózgu. Naukowcy z Uniwersytetu Tohoku zbadali tę zależność u śpiących myszy w czasie rzeczywistym. Wyniki pokazują, że mózg zaczyna przygotowywać się do tej wyjątkowej fazy jeszcze przed rozpoczęciem fazy REM.

Mózg musi funkcjonować przy ograniczonym budżecie energetycznym

Sen w żadnym wypadku nie oznacza, że mózg przestaje pracować. Wręcz przeciwnie: podczas niektórych faz snu aktywność układu nerwowego ulega zasadniczej zmianie. Szczególnie uderzająca jest faza REM; charakteryzuje się szybkimi ruchami gałek ocznych i często wiąże się ze szczególnie wyrazistymi snami.

Faza ta nazywana jest zatem również „snem paradoksalnym”. Ciało znajduje się w dużej mierze w stanie sztywności mięśniowej, podczas gdy aktywność mózgu pod wieloma względami bardziej przypomina stan czuwania. Rodzi to interesujące pytanie dla naukowców: w jaki sposób mózg dostarcza energię swoim neuronom, gdy aktywność zmienia się tak drastycznie w ciągu zaledwie kilku minut? Nowe badanie opublikowane w czasopiśmie „Communications Biology” dostarcza w tej kwestii zaskakujących spostrzeżeń. Naukowcy zaobserwowali u myszy, że zaopatrzenie mózgu w energię zmienia się jeszcze przed przejściem do snu REM. Jednocześnie rzeczywiste zużycie energii przez neurony wydaje się przebiegać według innego schematu.

Zarówno ludzki, jak i zwierzęcy mózg należą do najbardziej energochłonnych narządów organizmu. Miliardy neuronów muszą nieustannie generować sygnały elektryczne, przekazywać informacje i utrzymywać wzajemne połączenia. Procesy te wymagają energii. Ważnym nośnikiem energii jest ATP, skrót od adenozynotrifosforanu. Neurony potrzebują ATP między innymi do przywrócenia równowagi jonowej po sygnałach elektrycznych oraz do utrzymania komunikacji między komórkami.

Jednocześnie mózg dysponuje jedynie ograniczoną ilością energii. Dlatego też dostarczanie energii musi być ściśle dostosowane do bieżącej aktywności. To właśnie ta adaptacja szczególnie interesuje naukowców: czy mózg dostosowuje swoje zaopatrzenie w energię w zależności od aktualnego stanu? Przejście między różnymi fazami snu stanowi szczególnie odpowiedni model do zbadania tego zjawiska. Podczas snu aktywność, przepływ krwi i metabolizm ulegają charakterystycznym zmianom.

Wgląd w śpiący mózg

Aby bezpośrednio śledzić te zmiany, naukowcy opracowali metodę umożliwiającą obserwację mózgów śpiących myszy. W tym celu pokryli czaszki zwierząt przezroczystym materiałem utwardzanym promieniowaniem UV. Umożliwiło to naukowcom wykorzystanie technik obrazowania do śledzenia aktywności i przepływu krwi w mózgu podczas naturalnego snu.

Wykorzystując szerokokątne obrazowanie fluorescencyjne, zbadali między innymi zmiany objętości krwi w mózgu. Dostarcza to informacji na temat tego, jak zmienia się ukrwienie tkanki nerwowej w różnych stanach aktywności. Ponadto naukowcy zbadali dwa markery metaboliczne. Jednym z nich był ATP w komórkach nerwowych. Drugim był pirogronian w astrocytach.

Astrocyty to komórki niebędące neuronami w układzie nerwowym, które biorą udział między innymi w zaopatrzeniu i wspieraniu komórek nerwowych. Pirowinat z kolei odgrywa kluczową rolę w ważnych szlakach metabolicznych i powstaje między innymi podczas rozkładu glukozy. Zatem jego stężenie może dostarczyć informacji na temat zmian metabolizmu energetycznego w mózgu. Połączenie tych pomiarów pozwoliło naukowcom nie tylko obserwować aktywność mózgu, ale także jednocześnie śledzić różne aspekty jego metabolizmu energetycznego.

Zmiany przepływu krwi jeszcze przed fazą REM

Szczególnym przedmiotem zainteresowania było przejście ze snu nie-REM do snu REM. Podczas snu nie-REM występuje charakterystyczna powolna aktywność mózgu. Naukowcy skupili się między innymi na fluktuacjach w zakresie częstotliwości theta. Zmiany te były powiązane z późniejszymi zmianami objętości krwi w mózgu. Jeszcze bardziej uderzające było jednak to, co działo się tuż przed fazą REM.

Około 50 sekund przed klasycznie definiowanym początkiem fazy REM objętość krwi w mózgu zaczęła wzrastać. Zmiana ta początkowo rozpoczęła się w tylnej części kory mózgowej, a następnie rozprzestrzeniła się dalej do przodu. Sugeruje to, że przejście do snu REM nie rozpoczyna się po prostu od nagłej zmiany. Wydaje się raczej, że mózg przygotowuje się do tego stanu z wyprzedzeniem. Zwiększony przepływ krwi mógłby pomóc w dostosowaniu dopływu krwi do aktywnej tkanki nerwowej do nadchodzących potrzeb.

Więcej pirogronianu, ale mniej ATP

Wraz z nadejściem snu REM pojawił się wówczas szczególnie nietypowy wzorzec. Stężenie pirogronianu wzrosło w astrocytach. Może to wskazywać, że w tej fazie dostępna jest większa ilość substratu metabolicznego lub że wzrasta aktywność glikolityczna tych komórek. Jednocześnie jednak naukowcy zaobserwowali spadek poziomu ATP w komórkach nerwowych.

Na pierwszy rzut oka wydaje się to sprzeczne. Jeśli przez mózg przepływa więcej krwi, a jednocześnie wzrasta stężenie ważnego składnika metabolicznego, można by oczekiwać, że dostępna będzie również większa ilość energii. Jednak w przypadku badanych myszy tak właśnie nie było.

Wyniki sugerują raczej, że podczas snu REM dostarczanie energii i jej zużycie nie przebiegają po prostu równolegle. Mózg może zwiększać dopływ energii, wykazując jednocześnie niższy poziom ATP w neuronach.

Czy komórki nerwowe zużywają szczególnie duże ilości energii podczas snu?

Jednym z możliwych wyjaśnień jest to, że komórki nerwowe zużywają szczególnie duże ilości ATP podczas snu REM. Sen REM wiąże się ze złożonymi zmianami w aktywności neuronów. Uważa się jednocześnie, że odgrywa on ważną rolę w procesach pamięci i przetwarzania informacji. W tej fazie w sieciach neuronowych mogą zatem zachodzić procesy szczególnie energochłonne.

Można na przykład wyobrazić sobie zwiększone zapotrzebowanie na energię związane ze zmianami zachodzącymi w synapsach. Synapsy są punktami styku między neuronami i odgrywają kluczową rolę w uczeniu się oraz przechowywaniu informacji. Podczas snu REM rolę mogłaby również odgrywać komunikacja między różnymi obszarami mózgu. W szczególności bada się interakcję między hipokampem a korą mózgową w kontekście przetwarzania i utrwalania wspomnień.

Nowe odkrycia nie dowodzą jednak, że to właśnie te konkretne procesy są odpowiedzialne za zaobserwowany spadek poziomu ATP. Naukowcy wskazują na kilka możliwych mechanizmów, które należy dokładniej zbadać w przyszłych badaniach. Oprócz zwiększonego zużycia energetycznego możliwa jest również zmiana w transporcie substancji w obrębie mózgu. Astrocyty i komórki nerwowe ściśle współpracują w zakresie metabolizmu energetycznego. Astrocyty mogą dostarczać produkty uboczne metabolizmu, które są ponownie wykorzystywane przez neurony. Jeśli współpraca ta ulega zmianie podczas snu REM, mogłoby to wyjaśniać, dlaczego wzrost stężenia pirogronianu w astrocytach nie prowadzi natychmiast do wyższych poziomów ATP w neuronach.

W proces ten mogą być również zaangażowane mitochondria. Te organelle komórkowe wytwarzają znaczną część ATP w komórkach. Zmiany w ich aktywności mogłyby również wpływać na to, ile ATP jest faktycznie dostępne dla neuronów. Na podstawie obecnych wyników nie można jeszcze określić, które z tych wyjaśnień jest prawidłowe.

Mózg najwyraźniej zaczyna się przygotowywać jeszcze przed fazą REM

Czas wystąpienia tych zjawisk jest szczególnie interesujący z chronobiologicznego punktu widzenia. Wzrost objętości krwi rozpoczął się około 50 sekund przed przejściem do fazy REM. Sugeruje to, że zmiany te nie wynikają wyłącznie z reakcji na już rozpoczęty stan REM.

Zamiast tego mózg może aktywnie przygotowywać się do zbliżającej się zmiany stanu. Przejście między fazami snu byłoby zatem nie tylko konsekwencją zmienionej aktywności neuronalnej, ale prawdopodobnie skoordynowanym procesem, w którym zaopatrzenie mózgu w energię również zmienia się proaktywnie.

Jest to zgodne z podstawową zasadą synchronizacji biologicznej: organizmy nie reagują wyłącznie na zmiany, które już zaszły. Wiele procesów fizjologicznych jest skoordynowanych czasowo i może przygotowywać organizm na nadchodzący stan.

Dlaczego te odkrycia są interesujące z punktu widzenia badań nad snem

Sen to znacznie więcej niż tylko okres odpoczynku. W nocy następują po sobie różne stany, z których każdy charakteryzuje się specyficznymi wzorcami aktywności neuronalnej, metabolizmu i przepływu krwi. Wśród nich szczególne miejsce zajmuje sen REM. Chociaż mięśnie pozostają w dużej mierze w stanie spoczynku, mózg wykazuje złożone wzorce aktywności. Nowe obserwacje dodają do tego obrazu kolejny wymiar: metabolizm energetyczny mózgu również ulega zmianie podczas przejścia do tej fazy snu. Staje się jasne, że „zwiększony dopływ energii” nie oznacza automatycznie, że poszczególne neurony mają do dyspozycji więcej ATP. Dostarczanie, metabolizm i rzeczywiste zużycie energii mogą być ze sobą niezsynchronizowane. To właśnie te różnice mogą pomóc nam lepiej zrozumieć, w jaki sposób mózg utrzymuje swoje funkcje w zmieniających się warunkach.

Wyniki pochodzą z eksperymentów przeprowadzonych na myszach. Pokazują one zatem przede wszystkim, jak badane procesy metaboliczne i krążeniowe w mózgu myszy zmieniają się podczas różnych stanów snu. Czy obserwowane procesy przebiegają w ten sam sposób u ludzi, pozostaje kwestią do zbadania. Ponadto na podstawie pomiarów nie wynika od razu, jaką konkretną rolę odgrywa zaobserwowany spadek poziomu ATP w procesie śnienia lub przetwarzania pamięci. Nie jest również jasne, czy zmiany te są takie same w różnych warunkach snu, w różnym wieku lub w innych stanach fizjologicznych.

Dalsze badania mogłyby zatem wyjaśnić, w jaki sposób różne typy komórek współpracują ze sobą podczas snu REM oraz jak przebiega koordynacja czasowa między aktywnością neuronów, przepływem krwi i metabolizmem. Badanie dostarcza zatem kolejnych dowodów na to, że mózg niezwykle dynamicznie reguluje swój bilans energetyczny podczas snu. W szczególności przejście do snu REM wydaje się wiązać z przygotowawczą zmianą przepływu krwi, a następnie z reorganizacją metabolizmu.

Ten pozorny paradoks – więcej oznak dostarczania energii przy jednoczesnym mniejszym poziomie ATP w komórkach nerwowych – może wskazywać, że mózg podczas snu REM w szczególnie dużym stopniu polega na elastycznej alokacji swoich zasobów. To również wyjaśnia, dlaczego sen w żadnym wypadku nie jest bierną przerwą w funkcjonowaniu mózgu. Podczas snu mózg zmienia swój stan działania, reorganizuje swoją aktywność i dostosowuje zaopatrzenie w energię. Faza REM w szczególnie imponujący sposób pokazuje, jak złożona jest w rzeczywistości ta nocna regulacja.