Durante o sono REM, o cérebro apresenta uma combinação incomum de fenômenos: o fluxo sanguíneo aumenta e os níveis de um importante componente metabólico também se elevam — enquanto, ao mesmo tempo, os níveis de ATP — a principal fonte de energia do cérebro — diminuem nas células nervosas. Pesquisadores da Universidade de Tohoku estudaram essa relação em camundongos adormecidos em tempo real. Os resultados mostram que o cérebro começa a se preparar para essa fase única antes mesmo do início do sono REM.

O cérebro precisa operar com um orçamento energético limitado

O sono não significa, de forma alguma, que o cérebro pare de funcionar. Pelo contrário: durante certas fases do sono, a atividade do sistema nervoso muda fundamentalmente. O sono REM é particularmente marcante; é caracterizado por movimentos oculares rápidos e costuma estar associado a sonhos especialmente vívidos.

Essa fase do sono é, portanto, também chamada de “sono paradoxal”. O corpo encontra-se, em grande parte, em um estado de rigidez muscular, enquanto a atividade cerebral, em muitos aspectos, lembra mais o estado de vigília. Isso levanta uma questão interessante para os pesquisadores: como o cérebro fornece energia aos seus neurônios quando a atividade muda tão drasticamente em apenas alguns minutos? Um novo estudo publicado na revista Communications Biology traz algumas descobertas surpreendentes a esse respeito. Os pesquisadores observaram em camundongos que o suprimento de energia do cérebro muda ainda antes da transição para o sono REM. Ao mesmo tempo, o consumo real de energia dos neurônios parece seguir um padrão diferente.

Tanto o cérebro humano quanto o animal estão entre os órgãos que mais consomem energia do corpo. Bilhões de neurônios precisam, constantemente, gerar sinais elétricos, transmitir informações e manter suas conexões entre si. Esses processos exigem energia. Um importante transportador de energia é o ATP, abreviação de adenosina trifosfato. Os neurônios precisam do ATP, entre outras coisas, para restaurar seu equilíbrio iônico após a transmissão de sinais elétricos e para manter a comunicação entre as células.

Ao mesmo tempo, o cérebro dispõe apenas de uma quantidade limitada de energia. Portanto, o suprimento de energia deve ser cuidadosamente adaptado à atividade do momento. É justamente essa adaptação que interessa particularmente aos pesquisadores: o cérebro ajusta seu suprimento de energia de acordo com seu estado atual? A transição entre os diferentes estágios do sono oferece um modelo particularmente adequado para estudar isso. Durante o sono, a atividade, o fluxo sanguíneo e o metabolismo se alteram de maneiras características.

Um olhar sobre o cérebro adormecido

Para acompanhar diretamente essas mudanças, os pesquisadores desenvolveram um método que lhes permitiu observar os cérebros de camundongos adormecidos. Para isso, revestiram os crânios dos animais com um material transparente, curável por UV. Isso permitiu aos cientistas usar técnicas de imagem para monitorar a atividade e o fluxo sanguíneo no cérebro durante o sono natural.

Utilizando imagens de fluorescência de campo amplo, eles examinaram, entre outras coisas, as mudanças no volume sanguíneo no cérebro. Isso fornece insights sobre como o suprimento ao tecido nervoso se altera durante diferentes estados de atividade. Além disso, os pesquisadores examinaram dois marcadores metabólicos. Um deles era o ATP nas células nervosas. O segundo era o piruvato nos astrócitos.

Os astrócitos são células não neuronais do sistema nervoso que estão envolvidas, entre outras coisas, no suprimento e no suporte às células nervosas. O piruvato, por sua vez, é fundamental para importantes vias metabólicas e é produzido, entre outras coisas, durante a decomposição da glicose. Assim, sua concentração pode fornecer insights sobre como o metabolismo energético no cérebro se altera. A combinação dessas medições permitiu aos pesquisadores não apenas observar a atividade cerebral, mas também acompanhar simultaneamente vários aspectos de seu metabolismo energético.

Alterações no fluxo sanguíneo mesmo antes do sono REM

De particular interesse foi a transição do sono não REM para o sono REM. Durante o sono não REM, ocorre uma atividade cerebral lenta característica. Entre outras coisas, os pesquisadores se concentraram nas flutuações na faixa de frequência teta. Essas alterações foram associadas a mudanças subsequentes no volume sanguíneo no cérebro. Ainda mais impressionante, porém, foi o que aconteceu imediatamente antes do sono REM.

Cerca de 50 segundos antes do início da fase REM, conforme definido classicamente, o volume sanguíneo no cérebro começou a aumentar. A alteração começou inicialmente na região posterior do córtex e, em seguida, se espalhou mais para a frente. Isso sugere que a transição para o sono REM não começa simplesmente com uma mudança repentina. Em vez disso, o cérebro parece se preparar para esse estado com antecedência. O aumento do fluxo sanguíneo poderia ajudar a adaptar o suprimento ao tecido neural ativo às demandas que se aproximam.

Mais piruvato, mas menos ATP

Com o início do sono REM, surgiu então um padrão particularmente incomum. A concentração de piruvato aumentou nos astrócitos. Isso poderia indicar que há mais substrato metabólico disponível durante essa fase ou que a atividade glicolítica dessas células aumenta. Ao mesmo tempo, porém, os pesquisadores observaram uma diminuição nos níveis de ATP nas células nervosas.

À primeira vista, isso parece contraditório. Se mais sangue está fluindo pelo cérebro e, ao mesmo tempo, um importante componente metabólico está aumentando, seria de se esperar que também houvesse mais energia imediatamente disponível. No entanto, esse não foi exatamente o caso nos camundongos estudados.

Em vez disso, os resultados sugerem que o suprimento e o consumo de energia não ocorrem simplesmente em paralelo durante o sono REM. O cérebro pode aumentar seu suprimento de energia e, ao mesmo tempo, apresentar níveis mais baixos de ATP nos neurônios.

As células nervosas consomem quantidades particularmente grandes de energia durante os sonhos?

Uma possível explicação é que as células nervosas consumam uma quantidade particularmente grande de ATP durante o sono REM. O sono REM está associado a mudanças complexas na atividade neuronal. Ao mesmo tempo, acredita-se que ele desempenhe papéis importantes na memória e no processamento de informações. Durante essa fase, portanto, processos particularmente intensivos em energia poderiam estar ocorrendo nas redes neurais.

Por exemplo, é possível que haja um aumento na demanda de energia para alterações nas sinapses. As sinapses são os pontos de contato entre os neurônios e desempenham um papel central na aprendizagem e no armazenamento de informações. A comunicação entre diferentes regiões cerebrais também poderia desempenhar um papel durante o sono REM. Em particular, a interação entre o hipocampo e o córtex cerebral está sendo estudada em relação ao processamento e à consolidação de memórias.

No entanto, as novas descobertas não comprovam que esses processos específicos sejam responsáveis pela redução observada no ATP. Os pesquisadores citam vários mecanismos possíveis que precisam ser examinados mais detalhadamente em estudos futuros. Além do aumento do consumo, uma alteração no transporte de substâncias dentro do cérebro também é uma possibilidade. Os astrócitos e as células nervosas trabalham em estreita colaboração no metabolismo energético. Os astrócitos podem fornecer subprodutos metabólicos que são reutilizados pelos neurônios. Se essa colaboração se alterar durante o sono REM, isso poderia explicar por que o aumento do piruvato nos astrócitos não leva imediatamente a níveis mais elevados de ATP nos neurônios.

As mitocôndrias também poderiam estar envolvidas. Essas organelas celulares produzem grande parte do ATP nas células. Mudanças em sua atividade também poderiam influenciar a quantidade de ATP realmente disponível para os neurônios. Com base nos resultados atuais, ainda não é possível determinar qual dessas explicações está correta.

O cérebro aparentemente começa a se preparar antes mesmo do sono REM

O momento em que as observações ocorreram é particularmente interessante do ponto de vista cronobiológico. O aumento do volume sanguíneo começou aproximadamente 50 segundos antes da transição para o sono REM. Isso sugere que as alterações não surgem exclusivamente como uma reação ao estado REM que já havia começado.

Em vez disso, o cérebro pode estar se preparando ativamente para uma mudança iminente de estado. A transição entre os estágios do sono seria, portanto, não apenas uma consequência da atividade neural alterada, mas possivelmente um processo coordenado no qual o suprimento de energia do cérebro também se altera de forma proativa.

Isso é consistente com um princípio fundamental da sincronização biológica: os organismos não reagem exclusivamente a mudanças que já ocorreram. Muitos processos fisiológicos são coordenados temporalmente e podem se preparar para um estado iminente.

Por que essas descobertas são interessantes para a pesquisa do sono

O sono é muito mais do que um período de descanso. Durante a noite, diferentes estados se alternam, cada um com padrões característicos de atividade neural, metabolismo e fluxo sanguíneo. O sono REM ocupa uma posição especial entre eles. Embora os músculos estejam em grande parte em repouso, o cérebro exibe padrões complexos de atividade. As novas observações acrescentam outra camada a esse quadro: o metabolismo energético do cérebro também se altera durante a transição para essa fase do sono. Fica claro que “aumento do suprimento de energia” não significa automaticamente que os neurônios individuais tenham mais ATP disponível. O suprimento, o metabolismo e o consumo real de energia podem estar fora de sincronia. São precisamente essas diferenças que podem nos ajudar a compreender melhor como o cérebro mantém suas funções em condições variáveis.

Os resultados provêm de experimentos com camundongos. Portanto, eles mostram inicialmente como os processos metabólicos e circulatórios examinados no cérebro dos camundongos se alteram durante diferentes estados de sono. Ainda resta investigar se os processos observados ocorrem da mesma forma em seres humanos. Além disso, não fica imediatamente claro a partir das medições qual o papel específico que a redução observada no ATP desempenha nos sonhos ou no processamento da memória. Também não está claro se as alterações são as mesmas em diferentes condições de sono, em diferentes idades ou em outros estados fisiológicos.

Estudos adicionais poderiam, portanto, esclarecer como os diversos tipos de células cooperam entre si durante o sono REM e como funciona a coordenação temporal entre a atividade neuronal, o fluxo sanguíneo e o metabolismo. O estudo fornece, assim, mais evidências de que o cérebro regula seu equilíbrio energético de forma extremamente dinâmica durante o sono. Em particular, a transição para o sono REM parece estar associada a uma alteração preparatória no fluxo sanguíneo e a uma subsequente reorganização do metabolismo.

O aparente paradoxo — mais sinais de suprimento de energia ao mesmo tempo em que há menos ATP nas células nervosas — poderia indicar que, durante o sono REM, o cérebro depende de forma particularmente intensa de uma alocação flexível de seus recursos. Isso também deixa claro por que o sono não é, de forma alguma, uma pausa passiva para a função cerebral. Enquanto dormimos, o cérebro altera seu estado operacional, reorganiza sua atividade e ajusta seu suprimento de energia. O sono REM demonstra de maneira particularmente impressionante o quão complexa essa regulação noturna realmente é.