Ученые на протяжении длительного времени стремятся разобраться в причине того факта, что во время фазы быстрого сна, когда мозг изолирован от воздействия окружающей среды, он расходует почти такое же количество энергии, как и в период бодрствования. Японские специалисты по изучению нервной системы обнаружили: интенсивность кровоснабжения головного мозга значительно увеличивается на этапе REM-сна. При этом наблюдается снижение концентрации основного клеточного источника питания, что свидетельствует о существенном расходе энергетических ресурсов для обработки информации и формирования сновидений.

Головной мозг человека является основным потребителем энергии в человеческом теле. Ключевую роль в обеспечении энергией играют молекулы АТФ.

Ранее существовало убеждение о непосредственной зависимости между активностью нейронов и поступлением к ним питательных веществ с кровью: увеличение активности подразумевает усиление кровотока. Однако данная модель не позволяет объяснить сложные процессы, происходящие в организме во время различных состояний сознания, включая сон.

В предыдущих исследованиях уже отмечалось необычное явление. К примеру, в 2022 году ученые продемонстрировали: на этапе быстрого сна у мышей наблюдаются значительные приливы крови к головному мозгу. В 2020-м нейробиологи выяснили, что содержание АТФ внутри нервных клеток не возрастает, а наоборот уменьшается.

Исследователи из Университета Тохоку в Японии провели детальное изучение метаболических процессов с целью выяснения причины данного несоответствия. Для этого они наблюдали за мозгом мышей, используя специальную прозрачную подготовку черепа.

С помощью генетически модифицированных флуоресцентных датчиков специалисты по изучению нервной системы в режиме реального времени фиксировали три основных показателя: изменения объема крови в мельчайших кровеносных сосудах мозга, колебания концентрации пирувата (который является основным источником энергии) и уровень АТФ. Полученные данные сопоставлялись с регистрациями электрической активности нервной ткани и мышц, что позволяло получить целостное представление о происходящих изменениях – от состояния глубокого сна до бодрствования.

Анализ результатов выявил высокую эффективность работы мозга во время медленного сна. Колебания мозговых ритмов с большой вероятностью предсказывали расширение кровеносных сосудов и увеличение притока крови на четыре-пять секунд, причем волны кровотока двигались организованно от передней части к задней.

Однако переход в фазу быстрого сна сопровождался резкой сменой этих параметров. Примерно за полминуты до начала этой стадии в задних областях коры начиналась медленная, но интенсивная волна расширения сосудов, которая через 15 секунд распространялась по всему мозгу. После этого наблюдалось значительное увеличение концентрации пирувата, что указывало на массовое поступление веществ для производства энергии. При этом уровень АТФ в нейронах не только не увеличивался, но и быстро снижался; потребность организма в энергии была чрезмерной, а ее доступность для нервных клеток – крайне ограниченной.

Учёные связывают данное явление с повышенным расходом энергии нервными клетками во время фазы быстрого сна (REM). В этот период, характеризующийся активностью сновидений и обработкой информации, головной мозг не находится в состоянии покоя, а осуществляет сложные вычислительные операции. Расход энергии превышает поступление, поскольку он направлен на перестройку связей между нейронами и закрепление воспоминаний – процесс требующий значительных затрат ресурсов.

В связи с этим, усиленный приток крови может скрывать дефицит энергетических запасов мозга, что потенциально негативно влияет на качество сна. Подобные нарушения могут наблюдаться даже у людей, страдающих нейродегенеративными заболеваниями и имеющими проблемы с метаболизмом.