Исследователи из Бостона впервые в режиме реального времени и на людях показали, как во сне синхронизируются нейронная активность, кровоток и ток цереброспинальной жидкости (ликвора). Работа оказалась настолько важной, что сразу удостоилась публикации в журнале Science.
За волнами оксигенации крови (красный) следуют волны цереброспинальной жидкости (синий). Сredit: Fultz et al. / Science, 2019.
Исследование стало пионерским сразу по нескольким пунктам: во-первых, исследователям впервые удалось продемонстрировать на людях, как именно во время сна начинает пульсировать ликвор (а пульсирует он и при бодрствовании, но в такт сердцебиениям). Во-вторых, они показали, что в момент, когда ток ликвора идет по направлению к мозгу, вверх, кровь, наоборот, внутримозговые сосуды покидает (направляется вниз), и все это происходит очень слаженно с медленноволновой нейронной активностью, характерной для медленной фазы сна.
Качество «промывки» мозга во время сна неразрывно связано с его качеством и количеством. Если сна меньше, чем нужно, либо он прерывистый и поверхностный, то «сонный» ток ликвора нарушается, и повышаются риски развития нейродегенеративных заболеваний, в частности, болезни Альцгеймера. Кроме того, он может снижаться и при естественных процессах старения мозга. Но до сих пор не было работ, которые бы показывали эту динамику прямо в режиме реального времени.
Чтобы провести пилотное исследование, ученые набрали группу добровольцев из 13 человек в возрасте от 23 до 33 лет. В шапочке ЭЭГ, регистрирующей активность коры головного мозга, испытуемых помещали в магнитно-резонансный томограф, где им предстояло самое сложное – уснуть. Те, кто хоть раз проходил МРТ-исследование, прекрасно себе представляют его шум (некоторых, правда, он действительно убаюкивает).
«У нас очень много желающих, которые мечтают попасть в ряды добровольцев, потому что мы платим за участие – фактически, платим за то, чтобы люди спали. Но оказывается, что их работа на самом деле – почти самая трудная часть нашего исследования», — смеются ученые.
Довольно много попыток оканчивалось неудачей, так как люди фактически просто не могли заставить себя уснуть. Потому что как только исследователи на ЭЭГ видели, что начинается фаза глубокого сна (которую они и ждали), они запускали специальный режим – ликворографию, звук менялся, и испытуемые просыпались. Кроме того, при засыпании люди часто начинают подергиваться, и это дает на МРТ двигательные артефакты.
Тем не менее с трудностями удалось справиться, и авторы отмечают, что теперь они, глядя на сканы мозга, могут сказать, спит человек или нет. Более того, они заметили, что нейронная активность и токи крови и ликвора необычайно синхронизированы. И теперь предстоит ответить на вопрос, почему. Одно из объяснений может заключаться в том, что когда активность нейронов падает, им не нужно столько кислорода, поэтому кровь покидает область. Это влечет за собой локальное понижение давления, и что приводит к увеличению тока ликвора в это место, поскольку давление должно поддерживаться на постоянном уровне.
Однако, это всего лишь догадки, которые нужно проверить в эксперименте. Кроме того, теперь исследователи настроены расширить группу добровольцев и включить в нее разные возраста, чтобы посмотреть, как процесс меняется с возрастом.
Текст: Анна Хоружая
Coupled electrophysiological, hemodynamic, and cerebrospinal fluid oscillations in human sleep byLaura Lewis et al. in Science. Published November 2019.
Science doi:10.1126/science.aax5440.