Během REM fáze spánku dochází v mozku k nečekanému úkazu: zatímco cévní systém zásobování posiluje, klíčová energetická molekula v neuronech se vyčerpává. Zjištění publikované v časopise Communications Biology přináší nový pohled na to, jak živý orgán řídí své zdroje při intenzivním zpracovávání informací. Tým vědců pozoroval mozkovou kůru živých myší přes průhlednou vrstvu na lebce, což umožnilo sledovat průtok krve, pyruvát v astrocytech i adenosintrifosfát (ATP) přímo v neuronech. Výsledky ukazují, že zvýšený průtok krve automaticky neznamená vyšší energetickou zásobu pro samotné nervové buňky.
- Objem krve v mozku se začíná zvyšovat přibližně 50 sekund před oficiálním začátkem REM fáze.
- Přestože průtok krve i hladina pyruvátu v astrocytech roste, zásoba ATP v neuronech klesá.
- Studie zpochybňuje předpoklad, že vaskulární signály z fMRI přesně odrážejí buněčnou energetiku.
Očekávání vědců se při pozorování spánku nenaplnila
„Naše původní očekávání bylo chybné,“ uvádějí autoři výzkumu k momentu, kdy sledovali přechod myší do REM fáze. Při farmacologickém rozšíření cév v předchozích experimentech totiž hladina ATP v neuronech i pyruvátu v astrocytech stoupala. Přirozený REM spánek však ukázal zcela opačný vzorec.
Sledování probíhalo neinvazivní metodou přes přirozenou lebku myší potaženou průhlednou pryskyřicí, aby nedošlo k narušení vnitrolebečního tlaku a cévní aktivity. Již během NREM fáze vědci zaznamenali, že výkyvy v pásmu theta předpovídaly změny objemu krve o čtyři až pět sekund později. Změny krevního zásobení tak nejsou pouhým pasivním pozadím, ale mozek je kontinuálně přizpůsobuje probíhající neuronální aktivitě.
Mozek se na REM fázi připravuje v předstihu
Pozorování ukázala, že objem krve v mozku začal stoupat zhruba 50 sekund předtím, než bylo možné REM spánek běžně identifikovat z elektrických záznamů mozku a svalů. Nárůst započal v zadní části mozkové kůry a během 15 až 20 sekund se rozšířil směrem dopředu.
Zatímco objem krve i metabolický meziprodukt pyruvát v astrocytech rostly, buněčné ATP v neuronech se pohybovalo opačným směrem a klesalo.
Výzkumníci nabízejí pro tento jev několik možných vysvětlení. Je pravděpodobné, že neurony spotřebovávají ATP extrémně rychle při procesech specifických pro REM spánek, jako je reorganizace synapsí nebo komunikace mezi hippokampem a mozkovou kůrou. Další možností je dočasně snížená účinnost tvorby ATP v mitochondriích nebo změna přenosu živin z astrocytů do neuronů.
Měření průtoku krve neodhaluje celý energetický příběh
„Naše zjištění nás přiměla přemýšlet jinak o hemodynamickém zobrazování mozku,“ zdůrazňuje autorský tým. Funkční magnetická rezonance (fMRI) totiž neměří neuronální aktivitu přímo, ale vyvozuje ji ze změn průtoku a okysličení krve.
Pro praxi v neurovědách to znamená významný posun v interpretaci dat. Zvýšený vaskulární signál nemusí v určitých stavech znamenat více dostupné energie pro neurony. Biologický mozek zřejmě dosahuje své vysoké energetické účinnosti tím, že přerozděluje omezené zdroje podle aktuálního výpočetního stavu, místo aby zásoboval všechny buňky rovnoměrně.
