Медленная волновая активность во время бессознательного сна помогает вымыть нервный детрит.
Почему сон оказывает восстанавливающее или разрушающее воздействие на познание, а здоровье мозга является вечной загадкой в биологии. Исследователи считают, что спинномозговая жидкость (CSF) может вымывать токсичные отходы, "очищая" мозг, и исследования показали, что очистка от мусора значительно улучшается во время сна. Однако они не были уверены в том, как все это работает и почему во время сна оно должно быть улучшено.
Одним из аспектов сна, который хорошо понимается, является то, как медленные электрические колебания (или "медленные волны"), которые характеризуют глубокий, не-REM сна способствуют консолидации памяти, процесс, при котором новые воспоминания передаются в долгосрочное хранение. Новое исследование, от команды под руководством нейробиолога Лоры Льюис из Бостонского университета, теперь дает представление о том, что движет CSF поток через мозг, предполагая, что те же медленные волны, которые координируют консолидацию памяти диска колебания в кровотоке и CSF в мозге.
Работа имеет последствия для понимания отношений между нарушением сна и психиатрических и нейродегенеративных состояний, и может даже указывать на новые подходы к диагностике и лечению.
"Мы обнаружили, что существуют действительно большие волны CSF, которые появляются в мозге только во время сна",
- говорит Льюис.
"Этот эффект действительно поразителен, и нас также интересует, что это значит для поддержания здоровья мозга, особенно при таких расстройствах, как болезнь Альцгеймера".
В исследовании, опубликованном 31 октября в Science, команда поставила перед собой задачу исследовать, как изменяется динамика CSF потока во время сна, и как это может быть связано с изменениями в мозговом кровотоке и электрической активности.
"Мы знаем, что сон действительно важен для здоровья мозга, и очистка от отходов, вероятно, является ключевой причиной; что было менее понятно: почему это меняется во время сна?"
Льюис говорит:
"Это заставило нас спросить, что происходит в CSF ".
Исследователи использовали электроэнцефалографию (ЭЭГ) для мониторинга мозговых волн 13 спящих здоровых взрослых, в то же время используя передовую, "ускоренную" методику МРТ, чтобы захватить изменения быстрее, чем стандартная МРТ может справиться. Это позволило измерять как изменения кровотока-оксигенации (которые указывают на кровоток к электрически активным, жаждущим кислорода регионам), так и CSF-потоки. Последнее стало возможным только из-за недостатка этого метода, который означает, что любая вновь поступающая жидкость (а не только оксигенированная кровь) загорается на изображении.
"Мы поняли, что с помощью этого метода можно измерить CSF-поток одновременно с оксигенацией крови",
- говорит Льюис.
"Это было очень важно, потому что оказалось, что эти вещи соединены друг с другом так, что мы бы никогда не увидели, если бы не измеряли кровь, CSF и электрическую активность одновременно".
Результаты исследования
То, что команда обнаружила, было то, что медленные волны, наблюдаемые в не-REM сна происходят в блокировке с изменениями в кровотоке и CSF. То, что вещи происходят вместе, не обязательно означает, что одна вызывает другую, но команда также построила компьютерную модель, включающую в себя то, что мы знаем о физике, связывающей эти процессы, которая предсказала, что медленные волны будут иметь именно такие эффекты на кровь и CSF. Похоже, что происходит то, что по мере того, как активность мозга изменяет кровообращение, это уменьшает объем крови в мозге, а поскольку мозг является закрытым сосудом, CSF течет внутрь, заполняя пространство.
"Это очень убедительно",
- говорит невролог Майкен Недергаард из Университета Рочестера, который не участвовал в исследованиях.
"Это также действительно имеет смысл: электрическая активность приводит в движение изменения кровотока, которые затем приводят в движение изменения CSF".
Команда измеряла этот приток CSF, идущий в четвертый желудочек, одну из четырех заполненных жидкостью полостей, участвующих в производстве CSF (путем фильтрации плазмы крови) и циркулирующих вокруг головного мозга. Поскольку CSF обычно вытекает из четвертого желудочка, это говорит о "пульсатильном" потоке, похожем на волну. Это толкает CSF вокруг желудочков и в пространства между мембранами, окружающими мозг и спинной мозг, называемые менингами, где он смешивается с "интерстициальной жидкостью" внутри головного мозга, чтобы унести токсичные отходы.
Поскольку медленные волны важны для консолидации памяти, это связывает две разрозненные функции сна.
"Что интересно, так это сочетание функций мозга, которые люди обычно не считают связанными",
- говорит Недергаард. Не очевидно, что все должно было быть именно так, говорит Льюис, но это может представлять собой пример того, как природа может быть эффективной.
"Это вопрос природы, а не разделение задач между более высоким и более низким уровнем, например, как вы управляете компанией, где у вас есть босс, принимающий решения и увольняющий людей",
- говорит Недергаард.
"В биологии все вносят свой вклад, так как это имеет больше смысла".
Полученные результаты влияют на нейродегенеративные заболевания, которые, как полагают, вызваны накоплением токсичных белков в мозге, таких как амилоид-Бета при болезни Альцгеймера. Предыдущие исследования показали, что амилоид-бета очищается более эффективно во время сна, который часто нарушается у пациентов. Нарушения во время медленного сна также часто сопровождают старение, которое может быть связано с когнитивным спадом.
"Мы знаем, что люди с болезнью Альцгеймера имеют меньше медленных волн, поэтому мы можем обнаружить, что у них также меньше волн CSF",
- говорит Льюис.
"Сейчас мы должны провести эти исследования среди пожилых людей и пациентов, чтобы понять, что это может означать для этих расстройств. Нарушение сна также является особенностью многих психических расстройств, от депрессии до шизофрении. Различные электрические сигнатуры сна нарушаются в разных психических состояниях",
- говорит она.
"Поэтому будет очень интересно наблюдать за множеством расстройств".
Команда следующий надеюсь прибить гвозди ли электрические колебания действительно вызывают изменения, которые они наблюдали в потоке CSF, экспериментально манипулируя деятельностью мозга.
"Было бы здорово найти подходящего сотрудника и провести исследование на мышах, где мы манипулируем нейронной активностью, а затем наблюдать за последующими последствиями",
- говорит Льюис.
"Мы также думаем о том, как безопасно и неинвазивно манипулировать нейронными колебаниями у людей".
В конечном счете, можно использовать электромагнитную стимуляцию для воздействия на мозговые волны в качестве лечения расстройств мозга. Исследователи уже видели обнадеживающие результаты такого подхода у мышей, и эти результаты могут помочь объяснить, почему. Другое потенциальное применение может заключаться в оценке того, могут ли изменения в потоках CSF служить диагностическим маркером для некоторых из этих условий.
"Это дает нам массу интересной новой биологии для изучения и понимания, так как кажется, что вещи, которые мозг делает во время сна, удивительным образом связаны друг с другом",
- говорит Льюис.
"Наверное, самое важное сообщение, которое можно взять с собой на дом - это то, что сон - это серьезная вещь",
- говорит Недергаард.
"Вам действительно нужен сон, чтобы поддерживать здоровый мозг, потому что он связывает электрическую активность с практической функцией домашнего хозяйства".
