Během REM spánku vykazuje mozek neobvyklou kombinaci jevů: zvyšuje se průtok krve a stoupá také hladina důležité metabolické složky – zatímco zároveň v nervových buňkách klesá hladina ATP, což je primární zdroj energie mozku. Vědci z Tohokské univerzity studovali tento vztah u spících myší v reálném čase. Výsledky ukazují, že mozek se na tuto jedinečnou fázi začíná připravovat ještě předtím, než REM spánek začne.

Mozek musí fungovat s omezeným energetickým rozpočtem

Spánek v žádném případě neznamená, že mozek přestává pracovat. Naopak: během určitých fází spánku se aktivita nervového systému zásadně mění. Obzvláště nápadná je fáze REM; vyznačuje se rychlými pohyby očí a často je spojována s obzvláště živými sny.

Tato fáze spánku se proto také označuje jako „paradoxní spánek“. Tělo se nachází převážně ve stavu svalové ztuhlosti, zatímco mozková aktivita v mnoha ohledech spíše připomíná bdělý stav. To vyvolává pro výzkumníky zajímavou otázku: Jak mozek zásobuje své neurony energií, když se aktivita během pouhých několika minut tak drasticky mění? Nová studie publikovaná v časopise Communications Biology přináší v tomto ohledu několik překvapivých poznatků. Vědci u myší pozorovali, že se zásobování mozku energií mění ještě před přechodem do REM spánku. Současně se zdá, že skutečná spotřeba energie neuronů se řídí odlišným vzorem.

Mozek člověka i zvířat patří mezi orgány těla s nejvyšší energetickou náročností. Miliardy neuronů musí neustále generovat elektrické signály, přenášet informace a udržovat vzájemná spojení. Tyto procesy vyžadují energii. Důležitým nosičem energie je ATP, zkratka pro adenosintrifosfát. Neurony potřebují ATP mimo jiné k obnovení iontové rovnováhy po elektrických signálech a k udržení komunikace mezi buňkami.

Mozek má přitom k dispozici pouze omezené množství energie. Proto musí být přísun energie přesně přizpůsoben aktuální činnosti. Právě tato adaptace zajímá vědce nejvíce: Upravuje mozek svůj přísun energie v závislosti na svém aktuálním stavu? Přechod mezi různými fázemi spánku nabízí obzvláště vhodný model pro studium tohoto jevu. Během spánku se aktivita, průtok krve a metabolismus mění charakteristickým způsobem.

Pohled do spícího mozku

Aby mohli tyto změny přímo sledovat, vyvinuli vědci metodu, která jim umožnila pozorovat mozky spících myší. Za tímto účelem pokryli lebky zvířat průhledným materiálem vytvrzovatelným UV zářením. Díky tomu mohli vědci pomocí zobrazovacích technik sledovat aktivitu a průtok krve v mozku během přirozeného spánku.

Pomocí širokoúhlého fluorescenčního zobrazování zkoumali mimo jiné změny objemu krve v mozku. To poskytuje vhled do toho, jak se mění zásobování nervové tkáně během různých stavů aktivity. Kromě toho vědci zkoumali dva metabolické markery. Jedním z nich byl ATP v nervových buňkách. Druhým byl pyruvát v astrocytech.

Astrocyty jsou ne-neuronální buňky nervového systému, které se mimo jiné podílejí na zásobování a podpoře nervových buněk. Pyruvát zase hraje ústřední roli v důležitých metabolických drahách a vzniká mimo jiné při rozkladu glukózy. Jeho koncentrace tak může poskytnout vhled do toho, jak se mění energetický metabolismus v mozku. Kombinace těchto měření umožnila vědcům nejen pozorovat mozkovou aktivitu, ale také současně sledovat různé aspekty jeho energetického metabolismu.

Změny průtoku krve ještě před fází REM

Zvláštní zájem vzbudil přechod z non-REM spánku do REM spánku. Během non-REM spánku dochází k charakteristické pomalé mozkové aktivitě. Vědci se mimo jiné zaměřili na fluktuace v theta frekvenčním pásmu. Tyto změny byly spojeny s následnými změnami objemu krve v mozku. Ještě pozoruhodnější však bylo to, co se odehrálo bezprostředně před REM spánkem.

Přibližně 50 sekund před klasicky definovaným nástupem REM fáze začal objem krve v mozku stoupat. Změna se zpočátku objevila v zadní části mozkové kůry a poté se šířila dále dopředu. To naznačuje, že přechod do REM spánku nezačíná pouhým náhlým přepnutím. Zdá se spíše, že se mozek na tento stav připravuje předem. Zvýšený průtok krve by mohl pomoci přizpůsobit zásobování aktivní nervové tkáně nadcházejícím požadavkům.

Více pyruvátu, ale méně ATP

S nástupem REM spánku se pak objevil obzvláště neobvyklý vzorec. V astrocytech stoupla koncentrace pyruvátu. To by mohlo naznačovat, že je během této fáze k dispozici více metabolického substrátu, nebo že se zvyšuje glykolytická aktivita těchto buněk. Současně však vědci pozorovali pokles hladin ATP v nervových buňkách.

Na první pohled se to jeví jako protichůdné. Pokud mozkem proudí více krve a zároveň se zvyšuje množství důležitého metabolického stavebního prvku, dalo by se očekávat, že bude k dispozici i více okamžitě využitelné energie. U studovaných myší tomu však přesně tak nebylo.

Výsledky spíše naznačují, že dodávka energie a její spotřeba během REM spánku neprobíhají jednoduše paralelně. Mozek dokáže zvýšit přísun energie a zároveň vykazovat nižší hladiny ATP v neuronech.

Spotřebovávají nervové buňky během snění obzvláště velké množství energie?

Jedním z možných vysvětlení je, že nervové buňky během REM spánku spotřebovávají obzvláště velké množství ATP. REM spánek je spojen se složitými změnami v neuronální aktivitě. Zároveň se předpokládá, že hraje důležitou roli v paměti a zpracování informací. Během této fáze by se tedy v neuronových sítích mohly odehrávat obzvláště energeticky náročné procesy.

Například je možné, že se zvyšuje energetická náročnost změn na synapsích. Synapse jsou kontaktní body mezi neurony a hrají ústřední roli při učení a ukládání informací. Během REM spánku by mohla hrát roli také komunikace mezi různými oblastmi mozku. Zejména se v souvislosti se zpracováním a upevňováním vzpomínek zkoumá interakce mezi hipokampem a mozkovou kůrou.

Nové poznatky však nedokazují, že právě tyto konkrétní procesy jsou zodpovědné za pozorovaný pokles ATP. Vědci uvádějí několik možných mechanismů, které je třeba v budoucích studiích podrobněji prozkoumat. Kromě zvýšené spotřeby je možnou příčinou také změna v transportu látek v mozku. Astrocyty a nervové buňky úzce spolupracují v rámci energetického metabolismu. Astrocyty mohou poskytovat metabolické vedlejší produkty, které jsou znovu využívány neurony. Pokud se tato spolupráce během REM spánku změní, mohlo by to vysvětlovat, proč nárůst pyruvátu v astrocytech nevede okamžitě k vyšším hladinám ATP v neuronech.

Zapojeny by mohly být také mitochondrie. Tyto buněčné organely produkují velkou část ATP v buňkách. Změny v jejich činnosti by rovněž mohly ovlivnit, kolik ATP je neuronům skutečně k dispozici. Na základě současných výsledků zatím není možné určit, které z těchto vysvětlení je správné.

Mozek se zřejmě začíná připravovat ještě před fází REM

Načasování pozorovaných jevů je z chronobiologického hlediska obzvláště zajímavé. Nárůst objemu krve začal přibližně 50 sekund před přechodem do REM spánku. To naznačuje, že tyto změny nevznikají pouze jako reakce na již započatý REM stav.

Místo toho se mozek možná aktivně připravuje na blížící se změnu stavu. Přechod mezi fázemi spánku by tak nebyl pouze důsledkem změněné nervové aktivity, ale možná koordinovaným procesem, při kterém se proaktivně mění i zásobování mozku energií.

To je v souladu se základním principem biologického časování: organismy nereagují výlučně na změny, které již nastaly. Mnoho fyziologických procesů je časově koordinováno a může se připravovat na blížící se stav.

Proč jsou tyto poznatky zajímavé pro výzkum spánku

Spánek je mnohem více než jen období odpočinku. Během noci se střídají různé stavy, z nichž každý má charakteristické vzorce neurální aktivity, metabolismu a průtoku krve. Mezi nimi zaujímá zvláštní postavení REM spánek. Ačkoli jsou svaly z velké části v klidu, mozek vykazuje komplexní vzorce aktivity. Nová pozorování přidávají k tomuto obrazu další vrstvu: při přechodu do této fáze spánku se mění také energetický metabolismus mozku. Je zřejmé, že „zvýšený přísun energie“ automaticky neznamená, že jednotlivé neurony mají k dispozici více ATP. Příjem, metabolismus a skutečná spotřeba energie nemusí být v synchronizaci. Právě tyto rozdíly by nám mohly pomoci lépe pochopit, jak mozek udržuje své funkce za měnících se podmínek.

Výsledky pocházejí z experimentů na myších. Ukazují tedy nejprve, jak se metabolické a oběhové procesy zkoumané v mozku myší mění během různých spánkových stavů. Zda se pozorované procesy odehrávají stejným způsobem i u lidí, je třeba ještě prozkoumat. Z měření navíc není na první pohled zřejmé, jakou konkrétní roli hraje pozorovaný pokles ATP při snění nebo při zpracování paměti. Zůstává také nejasné, zda jsou tyto změny stejné za různých spánkových podmínek, v různých věkových kategoriích nebo v jiných fyziologických stavech.

Další studie by proto mohly objasnit, jak různé typy buněk spolupracují během REM spánku a jak funguje časová koordinace mezi neuronovou aktivitou, průtokem krve a metabolismem. Studie tak poskytuje další důkazy o tom, že mozek během spánku reguluje svou energetickou bilanci mimořádně dynamicky. Zejména přechod do REM spánku se zdá být spojen s přípravnou změnou průtoku krve a následnou reorganizací metabolismu.

Tento zdánlivý paradox – více známek přísunu energie při současném nižším množství ATP v nervových buňkách – by mohl naznačovat, že mozek se během REM spánku spoléhá obzvláště silně na flexibilní rozdělování svých zdrojů. Z toho také jasně vyplývá, proč spánek v žádném případě není pasivní přestávkou v činnosti mozku. Zatímco spíme, mozek mění svůj provozní stav, reorganizuje svou činnost a přizpůsobuje svůj přísun energie. REM fáze spánku obzvláště působivě dokazuje, jak komplexní tato noční regulace ve skutečnosti je.