Under REM-sömnen uppvisar hjärnan en ovanlig kombination av fenomen: Blodflödet ökar, och halterna av en viktig metabolisk komponent stiger också – samtidigt som ATP-halterna – hjärnans främsta energikälla – minskar i nervcellerna. Forskare vid Tohoku-universitetet har studerat detta samband hos sovande möss i realtid. Resultaten visar att hjärnan börjar förbereda sig för denna unika fas redan innan REM-sömnen inleds.

Hjärnan måste fungera med en begränsad energibudget

Sömn innebär inte på något sätt att hjärnan slutar arbeta. Tvärtom: Under vissa sömnfaser förändras nervsystemets aktivitet i grunden. REM-sömnen är särskilt slående; den kännetecknas av snabba ögonrörelser och förknippas ofta med särskilt livfulla drömmar.

Denna sömnfas kallas därför också för ”paradoxal sömn”. Kroppen befinner sig till stor del i ett tillstånd av muskelstelhet, medan hjärnaktiviteten i många avseenden mer påminner om vaket tillstånd. Detta väcker en intressant fråga för forskarna: Hur förser hjärnan sina nervceller med energi när aktiviteten förändras så drastiskt inom loppet av bara några minuter? En ny studie i Communications Biology ger några överraskande insikter om detta. Forskarna observerade hos möss att hjärnans energiförsörjning förändras redan innan övergången till REM-sömn. Samtidigt verkar nervcellernas faktiska energiförbrukning följa ett annat mönster.

Både människans och djurens hjärnor hör till kroppens mest energikrävande organ. Miljarder nervceller måste ständigt generera elektriska signaler, överföra information och upprätthålla sina kopplingar till varandra. Dessa processer kräver energi. En viktig energibärare är ATP, en förkortning av adenosintrifosfat. Neuronerna behöver ATP bland annat för att återställa sin jonbalans efter elektriska signaler och för att upprätthålla kommunikationen mellan cellerna.

Samtidigt har hjärnan endast en begränsad mängd energi till sitt förfogande. Därför måste energitillförseln anpassas noggrant efter den aktuella aktiviteten. Det är just denna anpassning som särskilt intresserar forskarna: Anpassar hjärnan sin energitillförsel beroende på sitt aktuella tillstånd? Övergången mellan olika sömnstadier erbjuder en särskilt lämplig modell för att studera detta. Under sömnen förändras aktivitet, blodflöde och ämnesomsättning på karakteristiska sätt.

En titt in i den sovande hjärnan

För att direkt följa dessa förändringar utvecklade forskarna en metod som gjorde det möjligt för dem att observera hjärnorna hos sovande möss. För att göra detta belade de djurens skallar med ett transparent, UV-härdande material. Detta gjorde det möjligt för forskarna att med hjälp av avbildning följa aktiviteten och blodflödet i hjärnan under naturlig sömn.

Med hjälp av vidvinkel-fluorescensavbildning undersökte de bland annat förändringar i blodvolymen i hjärnan. Detta ger insikter i hur tillförseln till nervvävnaden förändras under olika aktivitetsstadier. Dessutom undersökte forskarna två metaboliska markörer. En av dessa var ATP i nervcellerna. Den andra var pyruvat i astrocyterna.

Astrocyter är icke-neuronala celler i nervsystemet som bland annat deltar i försörjningen och stödet av nervceller. Pyruvat är i sin tur centralt för viktiga metaboliska vägar och produceras bland annat vid nedbrytningen av glukos. Därför kan dess koncentration ge insikter i hur energimetabolismen i hjärnan förändras. Kombinationen av dessa mätningar gjorde det möjligt för forskarna att inte bara observera hjärnaktiviteten utan också att samtidigt följa olika aspekter av dess energimetabolism.

Förändringar i blodflödet redan före REM-sömnen

Särskilt intressant var övergången från icke-REM-sömn till REM-sömn. Under icke-REM-sömn uppträder en karakteristisk långsam hjärnaktivitet. Forskarna fokuserade bland annat på fluktuationer i thetafrekvensområdet. Dessa förändringar var förknippade med efterföljande förändringar i blodvolymen i hjärnan. Ännu mer slående var dock vad som hände omedelbart före REM-sömnen.

Cirka 50 sekunder före den klassiskt definierade början av REM-fasen började blodvolymen i hjärnan att stiga. Förändringen inleddes först i den bakre delen av hjärnbarken och spred sig sedan längre fram. Detta tyder på att övergången till REM-sömn inte bara inleds med en plötslig omställning. Snarare verkar hjärnan förbereda sig för detta tillstånd i förväg. Det ökade blodflödet kan bidra till att anpassa tillförseln till den aktiva nervvävnaden till de kommande kraven.

Mer pyruvat, men mindre ATP

I och med REM-sömnens inträde uppstod sedan ett särskilt ovanligt mönster. Koncentrationen av pyruvat steg i astrocyterna. Detta kan tyda på att mer metaboliskt substrat är tillgängligt under denna fas eller att den glykolytiska aktiviteten i dessa celler ökar. Samtidigt observerade forskarna dock en minskning av ATP-nivåerna i nervcellerna.

Vid första anblicken verkar detta motsägelsefullt. Om mer blod strömmar genom hjärnan och samtidigt ökar en viktig metabolisk byggsten, skulle man kunna förvänta sig att det också skulle finnas mer omedelbart tillgänglig energi. Men detta var just inte fallet hos de studerade mössen.

Resultaten tyder snarare på att energitillförsel och energiförbrukning inte helt enkelt löper parallellt under REM-sömnen. Hjärnan kan öka sin energitillförsel samtidigt som den uppvisar lägre ATP-nivåer i nervcellerna.

Förbrukar nervcellerna särskilt stora mängder energi under drömmar?

En möjlig förklaring är att nervcellerna förbrukar en särskilt stor mängd ATP under REM-sömnen. REM-sömnen är förknippad med komplexa förändringar i nervcellernas aktivitet. Samtidigt tros den spela en viktig roll för minnet och informationsbearbetningen. Under denna fas kan därför särskilt energikrävande processer äga rum i nervnätverken.

Det är till exempel tänkbart att det finns ett ökat energibehov för förändringar vid synapserna. Synapser är kontaktpunkterna mellan nervcellerna och spelar en central roll för inlärning och lagring av information. Kommunikationen mellan olika hjärnregioner kan också spela en roll under REM-sömnen. I synnerhet studeras samspelet mellan hippocampus och hjärnbarken i samband med bearbetning och konsolidering av minnen.

De nya resultaten bevisar dock inte att just dessa processer ligger bakom den observerade minskningen av ATP. Forskarna nämner flera möjliga mekanismer som behöver undersökas närmare i framtida studier. Förutom en ökad förbrukning är även en förändring i transporten av ämnen inom hjärnan en möjlighet. Astrocyter och nervceller samverkar nära inom energimetabolismen. Astrocyter kan tillhandahålla metaboliska biprodukter som återanvänds av nervcellerna. Om detta samarbete förändras under REM-sömnen skulle det kunna förklara varför ökningen av pyruvat i astrocyterna inte omedelbart leder till högre ATP-nivåer i nervcellerna.

Mitokondrierna kan också spela en roll. Dessa cellorganeller producerar en stor del av ATP:t i cellerna. Förändringar i deras aktivitet kan på samma sätt påverka hur mycket ATP som faktiskt står till förfogande för nervcellerna. Utifrån de aktuella resultaten går det ännu inte att avgöra vilken av dessa förklaringar som är den rätta.

Hjärnan verkar börja förbereda sig redan före REM-sömnen

Tidpunkten för observationerna är särskilt intressant ur ett kronobiologiskt perspektiv. Ökningen av blodvolymen började ungefär 50 sekunder före övergången till REM-sömn. Detta tyder på att förändringarna inte enbart uppstår som en reaktion på det REM-tillstånd som redan har inletts.

I stället kan hjärnan aktivt förbereda sig för en förestående förändring av tillståndet. Övergången mellan sömnstadierna skulle därmed inte bara vara en följd av förändrad nervaktivitet utan möjligen en samordnad process där även hjärnans energiförsörjning förändras proaktivt.

Detta stämmer överens med en grundläggande princip inom biologisk tidsstyrning: Organismer reagerar inte uteslutande på förändringar som redan har inträffat. Många fysiologiska processer är tidsmässigt samordnade och kan förbereda sig för ett kommande tillstånd.

Varför dessa rön är intressanta för sömnforskningen

Sömn är mycket mer än en viloperiod. Under natten växlar olika tillstånd, vart och ett med karakteristiska mönster av nervaktivitet, ämnesomsättning och blodflöde. REM-sömnen intar en särskild position bland dessa. Även om musklerna till stor del är i vila uppvisar hjärnan komplexa aktivitetsmönster. De nya observationerna lägger till ytterligare ett lager till denna bild: hjärnans energimetabolism förändras också under övergången till denna sömnfas. Det blir tydligt att ”ökad energitillförsel” inte automatiskt innebär att enskilda nervceller har mer ATP tillgängligt. Tillförsel, ämnesomsättning och faktisk energiförbrukning kan vara ur synk. Det är just dessa skillnader som kan hjälpa oss att bättre förstå hur hjärnan upprätthåller sina funktioner under föränderliga förhållanden.

Resultaten kommer från experiment på möss. De visar därför inledningsvis hur de metaboliska och cirkulationsmässiga processerna som undersökts i mushjärnan förändras under olika sömntillstånd. Om de observerade processerna sker på samma sätt hos människor återstår att undersöka. Dessutom framgår det inte omedelbart av mätningarna vilken specifik roll den observerade minskningen av ATP spelar för drömmar eller minnesbearbetning. Det är också oklart om förändringarna är desamma under olika sömnförhållanden, vid olika åldrar eller i andra fysiologiska tillstånd.

Ytterligare studier skulle därför kunna klargöra hur de olika celltyperna samverkar med varandra under REM-sömn och hur den tidsmässiga samordningen mellan neuronal aktivitet, blodflöde och ämnesomsättning fungerar. Studien ger därmed ytterligare belägg för att hjärnan reglerar sin energibalans på ett extremt dynamiskt sätt under sömnen. I synnerhet verkar övergången till REM-sömn vara förknippad med en förberedande förändring i blodflödet och en efterföljande omorganisation av ämnesomsättningen.

Den uppenbara paradoxen – fler tecken på energitillförsel samtidigt som nervcellerna har mindre ATP – kan tyda på att hjärnan under REM-sömnen i särskilt hög grad förlitar sig på en flexibel fördelning av sina resurser. Detta klargör också varför sömnen ingalunda är ett passivt avbrott i hjärnans funktion. Medan vi sover ändrar hjärnan sitt driftläge, omorganiserar sin aktivitet och anpassar sin energitillförsel. REM-sömnen visar på ett särskilt imponerande sätt hur komplex denna nattliga reglering faktiskt är.