Ночной оркестр кровотока, метаболизма и нейронной активности в мозге
Сон – это не просто отсутствие бодрствования, а активное состояние мозга со своими собственными процессами
Долгое время оставалось загадкой, как именно синхронизируются ключевые показатели работы мозга: электрическая активность, кровоток и энергопотребление
В исследовании, опубликованном в журнале Nature Сommunications, ученые применяют уникальный мультимодальный метод визуализации этих трех показателей и демонстрируют то, какой это сложный и тонко организованный процесс
В частности, это особое состояние, в котором сохраняются сенсорные реакции и раскрывается сложный, чередующийся баланс нейронной, гемодинамической и метаболической динамики
Для человека и животных сон – крайне важная функция организма
В период медленного сна мозг остается активным, и в это время происходят важные изменения активности нейронов, кровотока и метаболизма
Предполагается, что во сне мозг очищается от токсичных продуктов обмена, а нарушения сна могут приводить к их накоплению. Исследования указывают на то, что, вероятно, существует связь между нарушениями сна и развитием нейродегенеративных заболеваний
Однако то, как эти три процесса скоординированы во времени и пространстве при переходе от бодрствования ко сну, остается неизвестным, а набор инструментов, позволяющих одновременно наблюдать за ними, довольно ограничен
Группа американских исследователей совершила прорыв в этом направлении
Для отслеживания нейронной динамики, кровотока и метаболической активности во время сна применили уникальную методику одновременной трехмодальной визуализации с использованием электроэнцефалографии (ЭЭГ), функциональной позитронно-эмиссионной томографии (фПЭТ) и функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ)
Во время сна у человека регистрировали ЭЭГ для отслеживания фаз сна, фПЭТ – для отслеживания быстрых изменений потребления мозгом глюкозы, что представляет собой ключевой элемент метаболизма, а фМРТ – для отслеживания динамики кровотока
Включение в эту мультимодальную структуру фПЭТ
Применение этой методики позволило авторам работы сделать несколько важных открытий
Во-первых, обнаружилось, что по мере погружения в сон, когда общее потребление глюкозы мозгом снижается, амплитуда медленных колебаний кровотока, наоборот, резко возрастает
Ранее полагалось, что снижение метаболической активности должно сопровождаться и одновременным падением активности кровотока
В этом же исследовании показано, что во время медленного сна эти процессы противоположны, что указывает на сложную регуляцию
Во-вторых, исследователи обнаружили, что две функциональные сети головного мозга по-разному ведут себя во время сна
В частности, сенсомоторная сеть демонстрировала очень сильные низкочастотные (~0.02 Гц) колебания кровотока, в то время как ее метаболическая активность (потребление глюкозы) снижалась не так сильно, как в других областях
Эта сеть оставалась «настороже»
А сеть пассивного режима работы мозга, которой отводят роль участника сложного мышления, показала противоположную картину: слабые колебания кровотока и самое значительное подавление метаболизма
Это исследование демонстрирует, что сон – это не просто глобальное «отключение» или даже переход в более «медленный» режим работы, а тонко настроенный процесс, в котором разные сети мозга ведут себя по-разному, чтобы сохранить жизненно важные функции
При активной сенсомоторной сети организм может быстро реагировать на внешние опасности, а с подавленной активностью сети пассивного режима работы мозга подавляются когнитивные функции, что позволяет человеку отдохнуть
С практической точки зрения эта работа открывает перспективы для новых исследований в медицине сна
Методика одновременной ЭЭГ-ПЭТ-фМРТ позволит изучать, как нарушение этой сложной координации при бессоннице, апноэ и других расстройствах сна способствует развитию неврологических и психических заболеваний, включая нейродегенерацию
Понимание этих механизмов – ключ к разработке новых методов диагностики и терапии
Simultaneous EEG-PET-MRI identifies temporally coupled and spatially structured brain dynamics across wakefulness and NREM sleep by Chen J.E. et al., Nature communications