Состояние сна связано с увеличением межклеточного пространства в мозге

Изменение объема межклеточного пространства в мозге мыши при пробуждении (слева) и при введении анестетиков (справа). Разными цветами показано распределение молекул-меток, которые вводили в спинномозговую жидкость мыши. Желтый цвет соответствует состоянию бодрствования, зеленый — сну, красный — анестезии. Видно, что в спящем мозге объем межклеточного вещества значительно больше, чем в бодрствующем. Также видно, что структура межклеточных пространств мозга при анестезии напоминает таковую при естественном сне. Изображение из обсуждаемой статьи в Science

Американские исследователи установили, что как во сне, так и при анестезии для мозга характерно увеличение объема межклеточного пространства. Благодаря этому ускоряется обмен между спинномозговой и тканевой жидкостями и кровью, необходимый для выведения токсичных метаболитов, накопившихся за время активного функционирования мозга. Таким образом, новое исследование подтверждает гипотезу о том, что сон необходим для поддержания гомеостаза в мозге.

Сон нужен подавляющему большинству животных. Недостаток сна вредит работе мозга и ведет к увеличению времени реакции, а также к ухудшению результатов когнитивных тестов. Так, у подопытных крыс при длительном лишении сна проявляются множественные патологии различной природы: уменьшение амплитуд ЭЭГ, уменьшение веса в целом и уменьшение веса печени и селезенки в частности, увеличение веса надпочечников, патологии кожи, трудности в сохранении равновесия, жидкость в легких и трахее, язва желудка, отек конечностей. В предельном случае при лишении сна мышей и мух смерть наступает спустя несколько дней.

На людях эксперименты по понятным причинам не проводятся, за исключением добровольных экспериментов над собой. Так, Роберт Макдональд продержался без сна 453 часа, установив мировой рекорд. Однако теперь составители книги рекордов Гиннеса отказываются регистрировать новые результаты, так как подобные эксперименты очень опасны для здоровья. Кроме того, некоторые данные о последствиях длительного лишения сна мы имеем благодаря фатальной семейной бессоннице — наследственному заболеванию, при котором пациенты страдают от все более тяжелой бессонницы и умирают спустя несколько месяцев после начала развития болезни.

Одна из популярных гипотез состоит в том, что сон требуется мозгу для того, чтобы восстановить «рабочее состояние» нейронов, истощенных активной работой во время бодрствования. В частности, в ходе работы нейронов накапливаются продукты их метаболизма, которые могут быть токсичными, и от таких веществ нужно избавляться. Утилизация токсичных веществ — функция печени, но чтобы попасть туда из головного мозга, метаболиты должны пройти долгий путь. Тканевая жидкость мозга, в которую попадают продукты метаболизма, обменивается со спинномозговой, и с током спинномозговой жидкости токсичные вещества выводятся из мозга и, снова перемещаясь в тканевую жидкость, а затем в кровь, в конце концов попадают в печень. Таким образом, от скорости обмена тканевой и спинномозговой жидкостей зависит своевременное избавление от токсичных продуктов метаболизма.

Имеются некоторые данные, которые подтверждают, что в состоянии бодрствования концентрация потенциально опасных для мозга веществ выше, чем во сне: так, в состоянии бодрствования концентрация β-амилоидов в тканевой жидкости мозга выше, чем в состоянии сна. Напомним, что β-амилоиды — это белки, накопление которых является непосредственной причиной болезни Альцгеймера. Эти белки образуют амилоидные бляшки — крупные агрегаты, которые вызывают повреждения тканей и, в конечном счете, их отмирание (см., например, новость В патогенезе болезни Альцгеймера участвует иммунный белок, «Элементы», 16.10.2013). Интересно, что причиной возникновения упомянутой выше фатальной семейной бессонницы является мутация в одном из белков, из-за которой этот белок тоже становится способен формировать амилоидные бляшки.

Американские ученые решили изучить токи жидкостей в мозге во время сна и во время бодрствования. Для этого они вводили в спинномозговую жидкость мышей специальные вещества, за молекулами которых можно следить, используя метод двухфотонной микроскопии. Оказалось, что после пробуждения поток спинномозговой жидкости в мозге уменьшается на 95% по сравнению с состоянием сна. Введение анестетиков же ускоряло потоки спинномозговой жидкости, из чего можно заключить, что анестетики вводят мозг в состояние, сходное с состоянием естественного сна. Исследователи также установили, что во сне введенные в мозг мыши β-амилоиды выводятся в два раза быстрее, чем в состоянии бодрствования.

Необходимо было выяснить, за счет чего достигается различие в движении потоков спинномозговой жидкости. За движение спинномозговой жидкости частично ответственна пульсация артерий мозга, которая «подгоняет» находящуюся вокруг жидкость, заставляя ее двигаться. Таким образом, можно было предположить, что разница в потоках спинномозговой жидкости во сне и в состоянии бодрствования достигается за счет суточных изменений артериального давления. Однако при физической активности артериальное давление повышается, поэтому, если бы за движение жидкостей в мозге отвечало только артериальное давление, то в состоянии бодрствования поток спинномозговой жидкости был бы больше, чем во сне. На самом же деле наблюдается обратная ситуация.

Ускорение потока спинномозговой жидкости может также быть вызвано тем, что в состоянии сна объем межклеточного вещества в мозге больше, чем в состоянии бодрствования. За счет этого может уменьшаться сопротивление потоку спинномозговой жидкости, чем и объясняется увеличение ее движения в состоянии сна. Исследование объемов межклеточного вещества в мозге у спящих и бодрствующих мышей подтвердило эту версию — оказалось, что объем межклеточного вещества в мозге спящей мыши в среднем в полтора раза больше, чем бодрствующей. Анестезия так же, как и сон, приводила к увеличению объемов межклеточных пространств (см. рисунок).

Оставалось понять, за счет чего увеличивается межклеточное пространство. Известно, что для перехода в состояние бодрствования критически важны сигналы, передаваемые с помощью гормона норадреналина. В периферических тканях, таких как сердце и почки, норадреналин регулирует работу мембранных белков, отвечающих за клеточный объем. Исследователи предположили, что за изменение объемов межклеточных пространств в мозге при сне и пробуждении также отвечает норадреналин. Введение блокаторов норадреналиновых рецепторов в мозг мыши приводило к увеличению потока спинномозговой жидкости, что характерно для сна и анестезии. При этом увеличение потока достигалось за счет увеличения объема межклеточных пространств, что также характерно для сна. Данные электрокортикографии подтвердили, что состояние мозга при этом напоминает состояние природного сна. Таким образом, было установлено, что за изменение объемов межклеточных пространств в мозге отвечает норадреналин.

Источник: Lulu Xie, Hongyi Kang, Qiwu Xu, Michael J. Chen, Yonghong Liao, Meenakshisundaram Thiyagarajan, John O’Donnell, et al. Sleep drives metabolite clearance from the adult brain // Science. 2013. V. 342. P. 373–377. DOI:10.1126/science.1241224.

Юлия Кондратенко