Počas REM spánku sa v mozgu prejavuje nezvyčajná kombinácia javov: zvyšuje sa prietok krvi a stúpa aj hladina dôležitej metabolickej zložky – pričom zároveň v nervových bunkách klesá hladina ATP, hlavného zdroja energie mozgu. Výskumníci z Tohoku University študovali tento vzťah u spiacich myší v reálnom čase. Výsledky ukazujú, že mozog sa na túto jedinečnú fázu začína pripravovať ešte predtým, ako REM spánok začne.

Mozog musí fungovať s obmedzeným energetickým rozpočtom

Spánok v žiadnom prípade neznamená, že mozog prestáva fungovať. Naopak: počas určitých fáz spánku sa aktivita nervového systému zásadne mení. Obzvlášť pozoruhodný je REM spánok; vyznačuje sa rýchlymi pohybmi očí a často sa spája s mimoriadne živými snami.

Táto fáza spánku sa preto nazýva aj „paradoxný spánok“. Telo je z veľkej časti v stave svalovej rigidnosti, zatiaľ čo mozgová aktivita v mnohých ohľadoch viac pripomína stav bdelosti. To vnucuje výskumníkom zaujímavú otázku: Ako mozog zásobuje svoje neuróny energiou, keď sa aktivita tak drasticky mení v priebehu len niekoľkých minút? Nová štúdia uverejnená v časopise Communications Biology prináša v tejto súvislosti niekoľko prekvapivých zistení. Vedci u myší pozorovali, že zásobovanie mozgu energiou sa mení ešte pred prechodom do REM spánku. Zároveň sa zdá, že skutočná spotreba energie neurónov sleduje odlišný vzor.

Ľudský aj zvierací mozog patria medzi orgány v tele s najvyššou energetickou náročnosťou. Miliardy neurónov musia neustále generovať elektrické signály, prenášať informácie a udržiavať vzájomné spojenia. Tieto procesy vyžadujú energiu. Dôležitým nositeľom energie je ATP, skratka pre adenosíntrifosfát. Neuróny potrebujú ATP okrem iného na obnovenie svojej iónovej rovnováhy po elektrických signáloch a na udržanie komunikácie medzi bunkami.

Mozog má však k dispozícii len obmedzené množstvo energie. Preto musí byť dodávka energie presne prispôsobená aktuálnej aktivite. Práve táto adaptácia zaujíma výskumníkov najviac: Prispôsobujú mozgy svoju dodávku energie v závislosti od aktuálneho stavu? Prechod medzi rôznymi fázami spánku ponúka obzvlášť vhodný model na štúdium tohto javu. Počas spánku sa aktivita, prietok krvi a metabolizmus menia charakteristickým spôsobom.

Pohľad do vnútra spiaceho mozgu

Aby mohli tieto zmeny priamo sledovať, výskumníci vyvinuli metódu, ktorá im umožnila pozorovať mozgy spiacich myší. Na tento účel potiahli lebky zvierat priehľadným materiálom vytvrdzovaným UV žiarením. Vďaka tomu mohli vedci pomocou zobrazovacích techník sledovať aktivitu a prietok krvi v mozgu počas prirodzeného spánku.

Pomocou širokopásmového fluorescenčného zobrazovania skúmali okrem iného zmeny objemu krvi v mozgu. To poskytuje pohľad na to, ako sa mení zásobovanie nervového tkaniva v rôznych stavoch aktivity. Okrem toho vedci skúmali dva metabolické markery. Jedným z nich bol ATP v nervových bunkách. Druhým bol pyruvát v astrocytoch.

Astrocyty sú ne-neurónové bunky nervového systému, ktoré sa podieľajú okrem iného na zásobovaní a podpore nervových buniek. Pyruvát je zase kľúčovou zložkou dôležitých metabolických dráh a vzniká okrem iného pri rozklade glukózy. Jeho koncentrácia tak môže poskytnúť informácie o tom, ako sa mení energetický metabolizmus v mozgu. Kombinácia týchto meraní umožnila výskumníkom nielen pozorovať mozgovú aktivitu, ale aj súčasne sledovať rôzne aspekty jej energetického metabolizmu.

Zmeny prietoku krvi ešte pred fázou REM

Zvláštny záujem vzbudil prechod z non-REM spánku do REM spánku. Počas non-REM spánku dochádza k charakteristickej pomalej mozgovej aktivite. Vedci sa okrem iného zamerali na kolísania v theta frekvenčnom rozsahu. Tieto zmeny boli spojené s následnými zmenami objemu krvi v mozgu. Ešte pozoruhodnejšie však bolo to, čo sa stalo bezprostredne pred REM spánkom.

Približne 50 sekúnd pred klasicky definovaným nástupom REM fázy začal objem krvi v mozgu stúpať. Zmena sa spočiatku začala v zadnej časti kôry a potom sa šírila ďalej dopredu. To naznačuje, že prechod do REM spánku nezačína jednoducho náhlym prepnutím. Zdá sa skôr, že mozog sa na tento stav pripravuje vopred. Zvýšený prietok krvi by mohol pomôcť prispôsobiť zásobovanie aktívneho nervového tkaniva nadchádzajúcim požiadavkám.

Viac pyruvátu, ale menej ATP

S nástupom REM spánku sa potom objavil obzvlášť nezvyčajný vzorec. Koncentrácia pyruvátu v astrocytoch stúpla. To by mohlo naznačovať, že počas tejto fázy je k dispozícii viac metabolického substrátu alebo že sa zvyšuje glykolytická aktivita týchto buniek. Zároveň však výskumníci pozorovali pokles hladín ATP v nervových bunkách.

Na prvý pohľad sa to zdá byť protirečivé. Ak mozgom preteká viac krvi a zároveň sa zvyšuje množstvo dôležitého metabolického stavebného prvku, dalo by sa očakávať, že bude k dispozícii aj viac okamžite využiteľnej energie. U študovaných myší to však práve tak nebolo.

Výsledky skôr naznačujú, že dodávka energie a jej spotreba počas REM spánku neprebiehajú jednoducho paralelne. Mozog dokáže zvýšiť svoju dodávku energie a zároveň vykazovať nižšie hladiny ATP v neurónoch.

Spotrebúvajú nervové bunky počas snenia obzvlášť veľké množstvo energie?

Jedným z možných vysvetlení je, že nervové bunky spotrebúvajú počas REM spánku obzvlášť veľké množstvo ATP. REM spánok je spojený so zložitými zmenami v neurónovej aktivite. Zároveň sa predpokladá, že zohráva dôležitú úlohu v pamäti a spracovaní informácií. Počas tejto fázy by sa preto v neurónových sieťach mohli odohrávať obzvlášť energeticky náročné procesy.

Predstaviteľné je napríklad zvýšené energetické nároky na zmeny na synapsách. Synapsy sú kontaktné body medzi neurónmi a zohrávajú ústrednú úlohu pri učení a ukladaní informácií. Počas REM spánku by mohla hrať úlohu aj komunikácia medzi rôznymi oblasťami mozgu. V súvislosti so spracovaním a upevňovaním spomienok sa skúma najmä interakcia medzi hipokampom a mozgovou kôrou.

Tieto nové zistenia však nedokazujú, že práve tieto konkrétne procesy sú zodpovedné za pozorovaný pokles ATP. Vedci uvádzajú niekoľko možných mechanizmov, ktoré je potrebné podrobnejšie preskúmať v budúcich štúdiách. Okrem zvýšenej spotreby je možnou príčinou aj zmena v transporte látok v mozgu. Astrocyty a nervové bunky úzko spolupracujú v rámci energetického metabolizmu. Astrocyty môžu poskytovať metabolické vedľajšie produkty, ktoré neuróny opätovne využívajú. Ak sa táto spolupráca počas REM spánku mení, mohlo by to vysvetľovať, prečo nárast pyruvátu v astrocytoch nevedie okamžite k vyšším hladinám ATP v neurónoch.

Do tohto procesu by mohli byť zapojené aj mitochondrie. Tieto bunkové organely produkujú veľkú časť ATP v bunkách. Zmeny v ich aktivite by mohli rovnako ovplyvniť to, koľko ATP je neurónom skutočne k dispozícii. Na základe súčasných výsledkov zatiaľ nie je možné určiť, ktoré z týchto vysvetlení je správne.

Mozog sa zrejme začína pripravovať ešte pred REM

Načasovanie pozorovaní je z chronobiologického hľadiska obzvlášť zaujímavé. Nárast objemu krvi začal približne 50 sekúnd pred prechodom do REM spánku. To naznačuje, že tieto zmeny nevznikajú výlučne ako reakcia na už začatý REM stav.

Mozog sa naopak môže aktívne pripravovať na blížiacu sa zmenu stavu. Prechod medzi fázami spánku by tak nebol len dôsledkom zmenenej neurálnej aktivity, ale pravdepodobne koordinovaným procesom, pri ktorom sa proaktívne mení aj dodávka energie do mozgu.

To je v súlade so základným princípom biologického časovania: organizmy nereagujú výlučne na zmeny, ktoré sa už udiali. Mnohé fyziologické procesy sú časovo koordinované a môžu sa pripraviť na blížiaci sa stav.

Prečo sú tieto zistenia zaujímavé pre výskum spánku

Spánok je oveľa viac než len obdobie odpočinku. Počas noci sa striedajú rôzne stavy, z ktorých každý má charakteristické vzory neurálnej aktivity, metabolizmu a prietoku krvi. Spánok REM zaujíma medzi nimi osobitné miesto. Hoci sú svaly z veľkej časti v pokoji, mozog vykazuje zložité vzory aktivity. Nové pozorovania pridávajú k tomuto obrazu ďalšiu vrstvu: počas prechodu do tejto fázy spánku sa mení aj energetický metabolizmus mozgu. Je zrejmé, že „zvýšený prísun energie“ automaticky neznamená, že jednotlivé neuróny majú k dispozícii viac ATP. Prísun, metabolizmus a skutočná spotreba energie nemusia byť v súlade. Práve tieto rozdiely by nám mohli pomôcť lepšie pochopiť, ako mozog udržiava svoje funkcie v meniacich sa podmienkach.

Výsledky pochádzajú z experimentov na myšiach. Spočiatku teda ukazujú, ako sa metabolické a cirkulačné procesy skúmané v mozgu myší menia počas rôznych spánkových stavov. Či sa pozorované procesy prejavujú rovnakým spôsobom aj u ľudí, je ešte potrebné preskúmať. Okrem toho z meraní nie je hneď jasné, akú konkrétnu úlohu zohráva pozorovaný pokles ATP pri snívaní alebo spracovaní spomienok. Zostáva tiež nejasné, či sú tieto zmeny rovnaké v rôznych spánkových podmienkach, v rôznych vekových kategóriách alebo v iných fyziologických stavoch.

Ďalšie štúdie by preto mohli objasniť, ako rôzne typy buniek spolupracujú počas REM spánku a ako funguje časová koordinácia medzi neurónovou aktivitou, prietokom krvi a metabolizmom. Štúdia tak poskytuje ďalšie dôkazy o tom, že mozog počas spánku reguluje svoju energetickú rovnováhu mimoriadne dynamicky. Zdá sa, že najmä prechod do REM spánku je spojený s prípravnou zmenou prietoku krvi a následnou reorganizáciou metabolizmu.

Tento zdanlivý paradox – viac známok dodávky energie pri súčasnom nižšom množstve ATP v nervových bunkách – by mohol naznačovať, že mozog sa počas REM spánku spolieha obzvlášť výrazne na flexibilné rozdeľovanie svojich zdrojov. Tým sa tiež objasňuje, prečo spánok v žiadnom prípade nie je pasívnou prestávkou v činnosti mozgu. Kým spíme, mozog mení svoj prevádzkový stav, reorganizuje svoju činnosť a prispôsobuje svoj prísun energie. REM spánok obzvlášť pôsobivo demonštruje, aká komplexná je táto nočná regulácia v skutočnosti.