REM-сон называют «парадоксальным сном», потому что в этот период мозг работает почти так же активно, как во время бодрствования: возникают яркие сновидения, усиливается обмен информацией между областями мозга, а также происходят процессы, связанные с памятью и эмоциональной регуляцией. При этом тело остаётся в состоянии глубокого расслабления.
Чтобы наблюдать за изменениями метаболизма во время естественного сна, исследователи из Университета Тохоку покрыли черепа мышей прозрачной УФ-отверждаемой смолой. Это позволило им наблюдать большую часть коры головного мозга без удаления части черепа, что могло бы повредить кровеносные сосуды и поддерживающие клетки. С помощью широкопольной флуоресцентной микроскопии команда отслеживала три компонента энергетической системы: объём крови (указывающий на поступление топлива), пируват в астроцитах (отражающий переработку глюкозы) и АТФ в нейронах (показывающий доступную энергию для немедленного использования).
Во время фазы медленного сна исследователи зафиксировали логичную взаимосвязь: небольшие колебания мозговых ритмов предсказывали изменения объёма крови через 4-5 секунд. Однако при переходе к фазе быстрого сна динамика менялась. Объём крови начинал увеличиваться за 50 секунд до начала REM-сна, сначала в задней части коры, затем распространяясь вперед. Это свидетельствует о том, что мозг начинает готовиться к интенсивным энергетическим потребностям REM-сна заранее.
С началом фазы быстрого сна уровень пирувата в астроцитах — вспомогательных клетках мозга, которые перерабатывают глюкозу и помогают обеспечивать нейроны энергией, — повышался. Это указывало на увеличение запасов метаболического материала. Однако концентрация АТФ в самих нейронах, напротив, снижалась. Вероятно, нейроны во время REM-сна расходуют АТФ быстрее, чем организм успевает её восполнять. Возможные причины — активная перестройка нейронных связей, обработка воспоминаний или изменение работы митохондрий, которые производят энергию внутри клеток.
Результаты показывают, что связь между поступлением топлива и доступной энергией мозга сложнее, чем считалось ранее. Даже усиление кровотока и увеличение запасов питательных веществ не приводят автоматически к росту доступной энергии для нейронов. Вероятно, мозг отдельно регулирует поступление, переработку и расход энергии, то есть перераспределяет ресурсы между разными системами в зависимости от текущих потребностей.
Изучение REM-сна позволяет лучше понять, как мозг поддерживает сложные процессы при относительно низком энергопотреблении. Несмотря на миллиарды нейронов и постоянную обработку информации, человеческий мозг использует около 20 ватт энергии — примерно как небольшая лампочка. Возможно, именно способность гибко управлять энергетическими ресурсами — одна из причин высокой эффективности биологического интеллекта.
