Under REM-søvnen udviser hjernen en usædvanlig kombination af fænomener: Blodgennemstrømningen stiger, og niveauet af en vigtig metabolisk komponent stiger ligeledes – mens ATP-niveauet – hjernens primære energikilde – samtidig falder i nervecellerne. Forskere ved Tohoku Universitet har undersøgt denne sammenhæng hos sovende mus i realtid. Resultaterne viser, at hjernen begynder at forberede sig på denne unikke fase, allerede før REM-søvnen indtræder.

Hjernen skal fungere med et begrænset energibudget

Søvn betyder på ingen måde, at hjernen holder op med at arbejde. Tværtimod: I visse søvnfaser ændrer nervesystemets aktivitet sig fundamentalt. REM-søvn er særligt markant; den er kendetegnet ved hurtige øjenbevægelser og forbindes ofte med særligt livagtige drømme.

Denne søvnfase kaldes derfor også »paradoksal søvn«. Kroppen befinder sig stort set i en tilstand af muskelstivhed, mens hjerneaktiviteten i mange henseender minder mere om vågentilstanden. Dette rejser et interessant spørgsmål for forskerne: Hvordan forsyner hjernen sine neuroner med energi, når aktiviteten ændrer sig så drastisk på blot få minutter? En ny undersøgelse i Communications Biology giver nogle overraskende indsigter i dette. Forskerne observerede hos mus, at hjernens energiforsyning ændrer sig allerede inden overgangen til REM-søvn. Samtidig ser neuronernes faktiske energiforbrug ud til at følge et andet mønster.

Både menneskets og dyrs hjerne hører til blandt kroppens mest energikrævende organer. Milliarder af neuroner skal konstant generere elektriske signaler, overføre information og opretholde deres forbindelser med hinanden. Disse processer kræver energi. En vigtig energibærer er ATP, en forkortelse for adenosintrifosfat. Neuroner har blandt andet brug for ATP til at genoprette deres ionbalance efter elektriske signaler og til at opretholde kommunikationen mellem cellerne.

Samtidig har hjernen kun en begrænset mængde energi til rådighed. Derfor skal energiforsyningen være nøje tilpasset den aktuelle aktivitet. Det er netop denne tilpasning, der især interesserer forskerne: Tilpasser hjernen sin energiforsyning afhængigt af sin aktuelle tilstand? Overgangen mellem forskellige søvnfaser udgør en særligt velegnet model til at undersøge dette. Under søvnen ændrer aktivitet, blodgennemstrømning og stofskifte sig på karakteristiske måder.

Et kig ind i den sovende hjerne

For direkte at kunne følge disse ændringer udviklede forskerne en metode, der gjorde det muligt for dem at observere hjernen hos sovende mus. Til dette formål belagte de dyrenes kranier med et gennemsigtigt, UV-hærdende materiale. Dette gjorde det muligt for forskerne at anvende billeddannelse til at følge aktiviteten og blodgennemstrømningen i hjernen under naturlig søvn.

Ved hjælp af bredfelt-fluorescensbilleddannelse undersøgte de blandt andet ændringer i blodvolumenet i hjernen. Dette giver indsigt i, hvordan forsyningen til nervevævet ændrer sig under forskellige aktivitetsstadier. Derudover undersøgte forskerne to metaboliske markører. Den ene var ATP i nervecellerne. Den anden var pyruvat i astrocytter.

Astrocytter er ikke-neuronale celler i nervesystemet, der blandt andet er involveret i at forsyne og understøtte nervecellerne. Pyruvat er på sin side centralt for vigtige metaboliske veje og produceres blandt andet under nedbrydningen af glukose. Dets koncentration kan således give indsigt i, hvordan energimetabolismen i hjernen ændrer sig. Kombinationen af disse målinger gjorde det muligt for forskerne ikke blot at observere hjerneaktiviteten, men også samtidig at følge forskellige aspekter af hjernens energiomsætning.

Ændringer i blodgennemstrømningen allerede før REM-søvn

Af særlig interesse var overgangen fra ikke-REM-søvn til REM-søvn. Under ikke-REM-søvn forekommer der en karakteristisk langsom hjerneaktivitet. Forskerne fokuserede blandt andet på udsving i theta-frekvensområdet. Disse ændringer var forbundet med efterfølgende ændringer i blodvolumenet i hjernen. Endnu mere slående var dog det, der skete umiddelbart før REM-søvnen.

Ca. 50 sekunder før den klassisk definerede begyndelse af REM-fasen begyndte blodvolumenet i hjernen at stige. Ændringen begyndte først i den bageste del af hjernebarken og bredte sig derefter længere frem. Dette tyder på, at overgangen til REM-søvn ikke blot begynder med et pludseligt skift. Hjernen ser snarere ud til at forberede sig på denne tilstand på forhånd. Den øgede blodgennemstrømning kunne bidrage til at tilpasse forsyningen til det aktive neurale væv til de kommende krav.

Mere pyruvat, men mindre ATP

Med indtræden af REM-søvnen opstod der derefter et særdeles usædvanligt mønster. Koncentrationen af pyruvat steg i astrocytterne. Dette kunne tyde på, at der er mere metabolisk substrat til rådighed i denne fase, eller at disse cellers glykolytiske aktivitet øges. Samtidig observerede forskerne imidlertid et fald i ATP-niveauerne i nervecellerne.

Ved første øjekast virker dette modstridende. Hvis der strømmer mere blod gennem hjernen, og samtidig stiger mængden af en vigtig metabolisk byggesten, kunne man forvente, at der også ville være mere umiddelbart tilgængelig energi til stede. Men netop dette var ikke tilfældet hos de undersøgte mus.

Resultaterne tyder snarere på, at energiforsyning og energiforbrug ikke blot følger hinanden parallelt under REM-søvn. Hjernen kan øge sin energiforsyning, samtidig med at den udviser lavere ATP-niveauer i neuronerne.

Forbruger nerveceller særligt store mængder energi, mens man drømmer?

En mulig forklaring er, at nerveceller forbruger en særlig stor mængde ATP under REM-søvn. REM-søvn er forbundet med komplekse ændringer i neuronaktiviteten. Samtidig menes den at spille en vigtig rolle i hukommelse og informationsbehandling. I denne fase kan der derfor finde særligt energiintensive processer sted i de neurale netværk.

For eksempel er et øget energibehov i forbindelse med ændringer ved synapserne tænkeligt. Synapser er kontaktpunkterne mellem neuroner og spiller en central rolle i indlæring og lagring af information. Kommunikationen mellem forskellige hjerneområder kan også spille en rolle under REM-søvnen. Især undersøges samspillet mellem hippocampus og hjernebarken i forbindelse med bearbejdning og konsolidering af minder.

De nye fund beviser dog ikke, at netop disse processer er årsagen til det observerede fald i ATP. Forskerne nævner flere mulige mekanismer, som skal undersøges nærmere i fremtidige studier. Ud over et øget forbrug er en ændring i transporten af stoffer inden for hjernen også en mulighed. Astrocytter og nerveceller arbejder tæt sammen i energimetabolismen. Astrocytter kan levere metaboliske biprodukter, som genbruges af neuronerne. Hvis dette samarbejde ændrer sig under REM-søvnen, kunne det forklare, hvorfor stigningen i pyruvat i astrocytterne ikke umiddelbart fører til højere ATP-niveauer i neuronerne.

Mitokondrierne kan også spille en rolle. Disse celleorganeller producerer en stor del af ATP’et i cellerne. Ændringer i deres aktivitet kan ligeledes påvirke, hvor meget ATP der rent faktisk står til rådighed for neuronerne. Baseret på de nuværende resultater er det endnu ikke muligt at afgøre, hvilken af disse forklaringer der er den rigtige.

Hjernen begynder tilsyneladende at forberede sig allerede før REM-søvn

Tidspunktet for observationerne er særligt interessant set ud fra et kronobiologisk perspektiv. Stigningen i blodvolumen begyndte ca. 50 sekunder før overgangen til REM-søvn. Dette tyder på, at ændringerne ikke udelukkende opstår som en reaktion på den REM-tilstand, der allerede er indtrådt.

I stedet kan hjernen være i gang med aktivt at forberede sig på en forestående tilstandsændring. Overgangen mellem søvnstadierne ville således ikke blot være en konsekvens af ændret neural aktivitet, men muligvis en koordineret proces, hvor hjernens energiforsyning også ændrer sig proaktivt.

Dette stemmer overens med et grundlæggende princip inden for biologisk timing: Organismer reagerer ikke udelukkende på ændringer, der allerede har fundet sted. Mange fysiologiske processer er tidsmæssigt koordinerede og kan forberede sig på en forestående tilstand.

Hvorfor disse fund er interessante for søvnforskningen

Søvn er meget mere end en hvileperiode. Om natten veksler forskellige tilstande, hver med karakteristiske mønstre af neuronal aktivitet, stofskifte og blodgennemstrømning. REM-søvn indtager en særlig plads blandt disse. Selvom musklerne stort set er i ro, udviser hjernen komplekse aktivitetsmønstre. De nye observationer tilføjer endnu et lag til dette billede: hjernens energimetabolisme ændrer sig også under overgangen til denne søvnfase. Det bliver klart, at »øget energiforsyning« ikke automatisk betyder, at de enkelte neuroner har mere ATP til rådighed. Forsyning, stofskifte og det faktiske energiforbrug kan være ude af trit med hinanden. Det er netop disse forskelle, der kan hjælpe os med bedre at forstå, hvordan hjernen opretholder sine funktioner under skiftende forhold.

Resultaterne stammer fra forsøg på mus. De viser derfor i første omgang, hvordan de undersøgte metaboliske og cirkulatoriske processer i musens hjerne ændrer sig under forskellige søvntilstande. Om de observerede processer forløber på samme måde hos mennesker, skal endnu undersøges. Desuden fremgår det ikke umiddelbart af målingerne, hvilken specifik rolle det observerede fald i ATP spiller i drømme eller hukommelsesbearbejdning. Det er heller ikke klart, om ændringerne er de samme under forskellige søvnforhold, i forskellige aldre eller i andre fysiologiske tilstande.

Yderligere studier kunne derfor afklare, hvordan de forskellige celletyper samarbejder med hinanden under REM-søvn, og hvordan den tidsmæssige koordination mellem neuronal aktivitet, blodgennemstrømning og stofskifte fungerer. Undersøgelsen leverer således yderligere bevis for, at hjernen regulerer sin energibalance yderst dynamisk under søvnen. Især synes overgangen til REM-søvn at være forbundet med en forberedende ændring i blodgennemstrømningen og en efterfølgende omorganisering af stofskiftet.

Det tilsyneladende paradoks – flere tegn på energiforsyning, samtidig med at der er mindre ATP i nervecellerne – kunne tyde på, at hjernen under REM-søvn er særligt afhængig af en fleksibel fordeling af sine ressourcer. Dette gør det også klart, hvorfor søvn på ingen måde er en passiv pause for hjernefunktionen. Mens vi sover, ændrer hjernen sin driftstilstand, omorganiserer sin aktivitet og tilpasser sin energiforsyning. REM-søvnen demonstrerer på særdeles imponerende vis, hvor kompleks denne natlige regulering faktisk er.