Почему глубокий сон важен для мозга

Издание Scientific American опубликовало результаты недавнего исследования о природе сна и его влиянии на здоровье и мозг человека, которое провели ученые из Университета Бостона. Редактор AIN.UA приводит ключевые тезисы.

Почему сон оказывает такой восстановительный (или разрушительный) эффект на мышление и здоровье мозга, долгое время оставалось загадкой в биологии. Исследователи считают, что спинномозговая жидкость (СМЖ) может вымывать токсические отходы, «очищая» мозг. Исследования показали, что этот процесс очищения намного эффективнее проходит во время сна. Однако, они не были уверены в том, как именно это работает или почему усиливается в этот период.

Один аспект сна неплохо изучен: как медленные электрические колебания (или же «медленные волны»), характеризующие фазу глубокого, не REM-сна, влияют на формирование памяти (когда новые впечатления переписываются в долговременную память.

Новое исследование от команды, которую возглавляет нейробиолог Лора Льюис из Университета Бостона. Оно дает больше понимания о том, за счет чего СМЖ движется в мозге и заключает, что те же «медленные волны», которые координируют консолидацию памяти, управляют и движениями крови и СМЖ в мозгу.

Работа также указывает на связи между нарушениями сна и психиатрическими, нейродегенеративными расстройствами, и даже может указывать на новые направления в диагностике и лечении.

«Мы обнаружили, что существуют действительно крупные волны СМЖ, которые появляются в мозгу только во время сна. Этот эффект — поразительный и нам также интересно, что это означает для здоровья мозга, особенно для расстройств вроде болезни Альцгеймера», — отмечает Льюис.

В исследовании, которое было опубликовано 31 октября в журнале Science, изучается динамика потока СМЖ и электрическая активность.

«Мы знаем, что сон действительно важен для мозга, и что вероятно ключевым ответом является уборка отходов. Что не так ясно: почему это происходит именно во время сна. Это привело нас к вопросу о том, что происходит в СМЖ в это время», — отмечает Льюис.

Исследователи использовали электроэнцефалографию (ЭЭГ), чтобы мониторить показатели деятельности мозга 13 здоровых спящих взрослых. Также они использовали новую вариацию функциональной МРТ, которая способна захватывать изображения быстрее, чем стандартная фМРТ.

Это позволило измерить как изменения насыщения крови кислородом (что указывает на ток крови к электрически активным участкам, которым не хватает кислорода), и токи СМЖ. Последнее стало возможным благодаря изъяну в новейшей фМРТ, из-за которого на изображениях подчеркивается любая прибывающая жидкость (а не только насыщенная кислородом кровь).

«Мы поняли, что можем воспользоваться этим, чтобы замерить токи СМЖ одновременно с насыщенностью крови кислородом. Это было важно, поскольку оказалось, что это связанные процессы», — уточняет Льюис.

Команда обнаружила, что «медленные волны» во время не REM-сна возникают строго одновременно с изменениями тока крови и СМЖ. Только потому что процессы происходят одновременно, нельзя делать вывод о том, что один вызывает другой. Но команда провела компьютерную симуляцию, в которой воссоздала физику этих процессов. И она предсказала, что «медленные волны» именно так и будут влиять на СМЖ и кровь.

Вероятно, происходит следующее: мозговая активность меняет ток крови, вследствие этого меняется объем крови в мозге, и поскольку мозг — закрытая емкость, пустоты заполняет СМЖ.

«Это очень убедительно выглядит. И имеет смысл: электрическая активность ведет к смене тока крови, который в свою очередь меняет ток СМЖ», — отмечает нейробиолог Мейкен Недергаард из Университета Рочестера, который не участвовал в исследовании.

Команда измерила, как ток СМЖ движется в четвертый желудочек мозга (одну из четырех полостей, участвующих в производстве СМЖ из плазмы крови) и как циркулирует по мозгу. Поскольку СМЖ обычно вытекает из четвертого желудочка, это должно создавать «пульсирующий» поток вроде волны. Она движет СМЖ по желудочкам и в промежутках между мембранами, окружающими мозг и спинной мозг, где та смешивается с тканевой жидкостью в мозгу, и уносит токсичные отходы.

Поскольку «медленные волны» важны для формирования памяти, это связывает две отдельные функции сна. «Воодушевляет, что исследование связывает те активности мозга, которые обычно не считались связанными», — отмечает Недергаард.

«Это пример того, как природа не распределяет «полномочия» между более высокими и низкими уровнями, как к примеру происходит при управлении компанией, где босс принимает решения, а подчиненные их выполняют. В биологии все участвуют одинаково, и в этом больше смысла», — говорит ученый.

Находки исследования имеют ценность для изучения нейродегенеративных расстройств, которые, как считается, связаны с накоплением в мозгу токсичных протеинов, таких как амилоидные белки в случае с болезнью Альцгеймера. Предыдущие исследования показали, что бета-амилоиды лучше вычищаются из мозга во время сна, который у пациентов чаще нарушен. Расстройства в фазе глубокого сна также чаще происходят со старением человека, что может быть связано с возрастным ухудшением когнитивной функции.

«Нам известно, что у пациентов с Альцгеймером меньше «медленных волн», так что мы можем обнаружить, что у них меньше СМЖ-волн. Нужно провести исследования более пожилых людей, чтобы понять, как это работает в случае с такими болезнями. Расстройства сна — это одно из проявлений множества психиатрических расстройств, от депрессии до шизофрении», — отмечает Льюис.

В будущем команда надеется доказать, что электрические колебания на самом деле вызывают изменения, которые они наблюдали в СМЖ, с помощью экспериментов с мозговой деятельностью.

«Было бы здорово найти партнеров для такого исследования и провести его на мышах: мы будем манипулировать активностью мозга, а затем наблюдать за последствиями. Мы также думаем над тем, как неинвазивно и безопасно исследовать это на людях», — говорит Льюис.

Еще одно потенциально полезное применение может заключаться в доказательстве того, что изменения в СМЖ могут служить диагностическим маркером для таких состояний.

«Возможно, самый важный урок исследования в том, что сон — это серьезно. Вам действительно нужно высыпаться, чтобы сохранять мозг здоровым, ведь оказывается, что электрическая активность и «уборка» мозга напрямую связаны», — говорит Недергаард.