Знайшли на просторах інтернету чудову англомовну статтю, що змушує подискутувати про роботу мозку під час сну. Вчені проводять ряд досліджень та описують “водопровідну”, зокрема глімфатичну систему мозку, яка за їх спостереженнями, тримає “мозок в чистоті”.
Як тільки ви засинаєте, за закритими повіками починається цикл активності. Спочатку крізь мозок проходить повільна електрична хвиля. Через кілька секунд кількість крові в мозку падає. Потім хвиля спинномозкової рідини змінює свій звичайний напрямок потоку і рухається вгору через великі порожнини в нижніх і центральних частинах мозку. Цей алгоритм повторюється приблизно три рази за хвилину протягом всього періоду повільного сну, для якого характерна відсутність сновидінь, а отже в той самий момент, коли ваші очі залишаються нерухомими.
У недавньому дослідженні вчені вперше спостерігали ритмічну послідовність, що об’єднує ці три явища у людей, і виявили причинні зв’язки між ними. Їх відкриття прояснює, як сон може захистити добробут мозку, керуючи елементами маловідомої «водопровідної системи», виявленої в мозку всього кілька років тому. Є надія, що одного разу в майбутньому, ця недавно відкрита система може стати основою для нових методів лікування, щоб запобігти зниженню когнітивних функцій у пацієнтів з хворобою Альцгеймера та іншими станами. Однак вже зараз цей «водопровідний» механізм має цінність для глибшого розуміння фізіологічної динаміки сну.
«Сон – доволі сюрреалістичне явище, – говорить Лаура Льюїс, доцент кафедри біомедичної інженерії Бостонського університету і старший автор дослідження. – Кожен день ми входимо в змінений стан свідомості, в якому багато аспектів нашого пізнання і фізіології різко та одночасно змінюються. Але ми не можемо жити без цього. Тварини, позбавлені сну, вмирають. Крім цього, недостатній сон пов’язаний з погіршенням когнітивних функцій.»
Протягом багатьох років вчені підозрювали, що шкода, заподіяна порушенням сну, якось пов’язана з надмірним накопиченням продуктів життєдіяльності або токсинів в мозку. Дослідження показали, що сон важливий для очищення «відходів» , але подробиці були туманними. У 2012 році дослідження, проведене в лабораторії Майка Недергаарда, нейробіолога з Медичного центру Університету Рочестера, дозволило виявити глімфатичну систему (гліально-лімфатичну), яка, по всій видимості, є способом виведення залишків в мозку. Це тонкий набір каналів, утворених гліальними клітинами мозку, які можуть проводити рідину всередині мозку. Проблема полягала в тому, що, здавалося, не існувало правдоподібного механізму, який зв’язує неврологічні ознаки сну з лімфатичною системою або навіть з рухами спинномозкової рідини в цілому. «Ми просто не знали, що і як змінюється, – коментувала Льюїс».
Циркуляція ліквору (спинномозкової рідини) в мозку
Однак експерименти на тваринах дійсно натякнули, що існує певна кореляція між активністю хвиль мозку під час сну і потоком рідини через мозок. І чудовим способом знайти відповіді став пошук закономірностей в сплячому людському мозку.
За словами Ніни Фульц, наукового співробітника з біомедичної інженерії в Бостонському університеті і першого автора дослідження, дослідники спостерігали за природними циклами сну пізно вночі. Вони хотіли отримати вимірювання мозкових хвиль, оксигенації крові і рухів спинномозкової рідини одночасно, тому прикріпили електроди до шкіри голови 13 респондентів і поклали їх спати в апаратах МРТ. Їх співробітники з Центру біомедичної візуалізації Мартінос допомогли розробити новий спосіб візуалізації мозку: прискорений процес МРТ робив кілька знімків в секунду і виявляв приплив рідини, який проявлявся у вигляді дуже яскравих ділянок на знімках.
«Ця комбінація вимірювань виявилася дуже інформативною і «виявила дивовижні закономірності», – додала Хелен Бенвеніст, професор анестезіології Єльського університету, яка не працювала над проектом». Це показало, що всі елементи циклу були вирівняні в часі, один за одним. Але дослідження вказало лише на кореляцію, в той час, як дослідники хотіли докази того, що кожна частина циклу викликає наступну.
Поки люди спали, вчені використовували метод МРТ, щоб спостерігати циклічний алгоритм руху рідини в їх мозку. На цьому відео червоний колір позначає місця рясного кровотоку, насиченого киснем, а синій – притоки спинномозкової рідини. Результати показують, що в міру того, як кров виходить з мозку у відповідь на зниження нервової активності, спинномозкова рідина спрямовується всередину, щоб заповнити вільне місце.
В результаті дослідники побудували модель, засновану на встановленій до цього динаміці в мозку. Наприклад, вже було відомо, що електрична активність в головному мозку змінює структуру кровотоку, оскільки високоактивним нейронам потрібно більше кисню та енергії. Відповідно до моделі вчених, частина повільної хвилі, в якій нейрони затихають, викликала зменшення кровотоку в частинах мозку. Але в міру того, як обсяг крові в тканинах зменшувався, спинномозкова рідина текла, щоб компенсувати, імовірно через глімфатичну систему. Модель досить точно відповідала тому проміжку часу, який вони спостерігали, що дозволяло зробити висновок про причинно-наслідковий зв’язок.
Невідомо, чи поширюється ця модель руху рідини у великих просторах мозку – третьому і четвертому шлуночках – на іншу частину мозку. Більш ранні дослідження на тваринах не фокусувалися на шлуночках, натомість вивчали, як рідина поширюється через менші простори в тканини мозку і видаляє продукти життєдіяльності, які там накопичуються. Але те, що побачила група з Бостона, може відображати дуже схожу динаміку рідини. Зокрема так вважає Джеффрі Іліфф, професор психіатрії та неврології Медичної школи Вашингтонського університету, який вивчає нейродегенеративні стани.
«Є багато докладних питань, які все ще не вирішені, але це величезний крок вперед», – резюмує Джеффрі Тітхоф, доцент кафедри машинобудування в Університеті Рочестера. Його команда вивчає глімфатичну систему, і деякі з їх недавніх неопублікованих результатів добре узгоджуються з чергуванням крові і спинномозкової рідини, які спостерігаються на цьому знімку людини. «Ми всі дуже раді цьому».
У дослідженні не вистачає більш докладної інформації про те, як спинно-мозкова рідина може видаляти відходи з мозку, але навіть цей обмежений алгоритм механізму роботи «водопровідної системи» може сприяти розумінню конгітивних порушень, що виникають через розлади сну .
Вчені спостерігали взаємозв’язок між сном і хворобою Альцгеймера: порушення сну часто передують захворюванню, яке, в свою чергу, ще більше порушує сон. Біологічні причини цього зв’язку невідомі, але правдоподібне пояснення полягає в тому, що, змінюючи кровотік в головному мозку, електричні сигнали, пов’язані зі сном, запускають хвилі спинномозкової рідини, щоб змити токсичні амілоїдні бляшки навколо нейронів. Все, що заважає спати, може привести до накопичення бляшок і викликати хворобу Альцгеймера. «Одна з причин, з якої я вважаю подібне дослідження настільки захоплюючим, полягає в тому, що воно дає вірогідне пояснення, – сказав Іліфф. Але ми повинні це перевірити».
Льюїс і її команда готуються до досліджень, які зможуть описати цю динаміку у людей із захворюваннями мозку. Проте, ці недавні спостереження на молодому, здоровому мозку виявили послідовність – алгоритм, що прояснює деталі щодо функцій сну.
«Ми ставимо ці питання про сон протягом століть», – сказав Іліфф. «Це те, що хвилює всіх, і все ж це щось досить загадкове». Він додав: «Наше розуміння і досвід сну мають фундаментальне значення для того, хто ми є і що ми робимо кожен день».
Ця стаття є адаптованим перекладом англомовної статті ©
