Мозг потребляет четверть всех запасов энергии тела, хотя и составляет всего лишь 2% от его массы. Как этот уникальный орган получает и, что ещё важнее, избавляется от питательных веществ? Новые исследования говорят о том, что это связано со сном.

Сон. Во сне мы проводим примерно треть жизни. Но понимаем ли мы, что происходит во время сна?

Две тысячи лет назад Гален, один из самых выдающихся врачевателей древнего мира, предположил, что во время бодрствования движущая сила нашего мозга, его энергия, растекается по другим частям тела и оживляет их, иссушая тем самым мозг. Он полагал, что во время сна эта наполнявшая тело влага устремляется обратно, снова увлажняя мозг и освежая ум. Сейчас это звучит нелепо, но Гален просто пытался объяснить ту сторону сна, с которой мы сталкиваемся ежедневно. По своему опыту мы все знаем, что после сна в голове проясняется, а при его недостатке мысли становятся мутными. И хотя сейчас мы уже знаем о сне гораздо больше, чем во времена Галена, мы всё ещё не понимаем, почему сон — это единственный процесс, обладающий невероятной способностью восстанавливать работу мозга.

Сегодня я хочу рассказать о недавних исследованиях, которые могут пролить свет на этот вопрос. Мы обнаружили, что, возможно, сон — изящное решение проблемы удовлетворения самых насущных потребностей мозга, его уникальная характеристика, позволяющая мозгу отвечать тем высоким требованиям, которые ставят его особняком от других органов нашего тела.

Почти все наблюдаемые биологические процессы можно объяснить как цепочку задач и их решений, и первая проблема, которую должен решить каждый орган, — бесперебойная поставка питательных веществ для поддержания работы клеток тела. Для мозга это особенно критично: его напряжённая электрическая активность расходует четверть всей энергии, которую получает организм, хотя мозг составляет лишь 2% от всей массы тела. Система кровообращения решает проблему доставки питательных веществ, направляя питание и кислород по кровеносным сосудам в каждую клеточку нашего тела.

Вы можете увидеть это на видео. Это кровеносные сосуды в мозге живой мыши. Сосуды составляют сложную сеть, заполняющую всё пространство мозга. Они начинаются на его поверхности, затем погружаются глубже в ткани, и, разветвляясь, доставляют питательные вещества и кислород в каждую клетку мозга.

Клетки не только потребляют питательные вещества, но и выделяют отходы их переработки. Избавление от этих отходов — вторая насущная проблема, которую должен решить каждый орган. Здесь изображена лимфатическая система нашего тела, которая возникла в ответ на эту проблему. Это вторая параллельная сеть сосудов, проходящая через всё тело. Она подхватывает белки и другие отходы из межклеточного пространства, собирает их вместе и затем сбрасывает в кровоток, чтобы от них избавиться.

ВЫБОР FST. 23 — 29 ДЕКАБРЯ 2017

Но если хорошенько присмотреться, можно увидеть нечто не совсем понятное. Если мы увеличим изображение головы, вы сможете заметить, что в мозге нет лимфатических сосудов. Но это же как-то неправильно, не так ли? Мозг работает очень активно, соответственно, он производит массу отходов, от которых нужно эффективно избавиться. И при этом там нет лимфатических сосудов, а значит, способ, используемый организмом для избавления от отходов, в мозге не работает.

Как же мозг решает проблему устранения ненужных веществ? В погоне за ответом на, казалось бы, обычный вопрос наша команда впервые появляется в этом рассказе. Что же мы обнаружили, погрузившись в глубины мозга, в гущу нейронов и кровеносных сосудов? То, что ответ мозга на проблему избавления от отходов оказался весьма неожиданным. Он оказался хитроумным и одновременно прекрасным. Позвольте мне об этом рассказать.

Мозг содержит большое количество прозрачной жидкости, называемой цереброспинальной жидкостью. Мы называем её ЦСЖ. ЦСЖ заполняет пространство вокруг мозга, и отходы из мозга попадают в прямо в ЦСЖ, а она вместе с отходами сбрасывается в кровь. Этот процесс похож по описанию на лимфатическую систему, не так ли? Но что интересно, отходы из мозга не просто случайным образом просачиваются в ЦСЖ. Напротив, есть специализированная сеть сосудов, организующая и облегчающая этот процесс. Это можно увидеть на видео. Это снова изображение мозга живой мыши. В кадре слева показано, что происходит на поверхности мозга, а в кадре справа мы видим происходящее внутри мозга, в самих тканях. Мы обозначили кровеносные сосуды красным, а ЦСЖ, окружающая мозг, будет зелёной.

Нас удивило то, что жидкость снаружи мозга не осталась на поверхности. Наоборот, ЦСЖ была закачана внутрь мозга, вдоль кровеносных сосудов. И когда она проникла вглубь мозга, вдоль его сосудов, она устранила, вымыла отходы из пространства между клеток мозга.

Если задуматься, использование поверхностей сосудов подобным образом — очень толковое решение, потому что мозг заключён в жёсткую черепную коробку и до отказа набит клетками, поэтому внутри него нет места для второго набора сосудов наподобие лимфатической системы. Сосуды же тянутся с поверхности мозга к каждой его клеточке. Это значит, что жидкость, путешествующая вдоль этих сосудов, имеет лёгкий доступ ко всему мозгу.

Это весьма умный способ приспособить один набор сосудов, кровеносный, для замещения функции второго набора сосудов, лимфатического, так, чтобы он вам не потребовался. Что удивительно — ни один другой орган не использует такой подход к избавлению от отходов из межклеточного пространства. Это уникальное решение мозга.

Но нашим самым удивительным открытием был тот факт, что всё, что я сейчас описывал, весь этот процесс прохождения жидкости через мозг, случается только когда мы спим. На видео слева показано, сколько ЦСЖ проходит через мозг живой мыши во время бодрствования. Почти ничего. Однако у того же животного немного позже, когда оно засыпает, мы наблюдаем, как ЦСЖ устремляется в мозг. Мы обнаружили, что в то время, когда мозг переходит в состояние сна, клетки мозга как бы сокращаются, освобождая межклеточное пространство, пропуская туда жидкость и позволяя очистить его от отходов.

Как видим, Гален не так уж и ошибался, когда писал о том, как жидкость стремительно несётся через мозг при наступлении сна. Спустя 2000 лет наше исследование даёт основание полагать, что когда мозг не спит и находится на пике активности, он откладывает процесс очищения от межклеточных отходов на потом. Затем, когда он засыпает, его активность снижается, и он переходит в режим очищения для того, чтобы избавиться от «мусора» между клетками, накопившегося за день. Это немного похоже на то, как мы всю неделю откладываем домашние дела из-за занятости, а затем пытаемся переделать всё, что не успели, когда наступают выходные.

До сих пор я говорил об избавлении от отходов, но не уточнял, от каких именно отходов мозг должен избавляться во время сна, чтобы оставаться здоровым. Продукт обмена, ставший центром внимания недавних исследований — бета-амилоид, белок, производимый мозгом постоянно. Прямо сейчас мой мозг вырабатывает его также, как и ваш. Однако у пациентов с болезнью Альцгеймера бета-амилоид собирается и накапливается в межклеточном пространстве мозга, вместо того чтобы вымываться из него как положено. Именно накопление бета-амилоида считается одним из ключевых факторов в развитии этого ужасного заболевания. Мы изучили, насколько быстро бета-амилоид вымывается из мозга во время бодрствования по сравнению со временем сна, и обнаружили, что устранение бета-амилоида происходит намного быстрее во сне.

Таким образом, если сон — часть ответа мозга на проблему избавления от отходов, это должно радикально изменить наше представление о связи между сном, бета-амилоидом и болезнью Альцгеймера. Ряд недавних клинических исследований показал, что у пациентов, ещё не страдающих болезнью Альцгеймера, ухудшение качества и продолжительности сна ассоциируется с бóльшим количеством бета-амилоида, скопившегося в мозге. И хотя важно отметить, что эти исследования не доказывают, что нехватка или плохое качество сна вызывают болезнь Альцгеймера, они дают основания полагать, что если мозг не может наводить у себя порядок, убирая отходы вроде бета-амилоида, это может привести к развитию заболеваний, подобных болезни Альцгеймера.

Эти исследования подтверждают то, что все из вас уже знают о сне, то, что понимал даже Гален: сон освежает и очищает разум, и это может быть одной из основных его функций. Мы все ложимся спать каждый вечер, но наш мозг никогда не спит. Пока тело отдыхает, а разум отключается и видит сны, изощрённый механизм мозга тихо напряжённо работает, очищая и приводя в порядок своё невероятно сложное оборудование. Как и работа по хозяйству, это дело грязное и неблагодарное, но также очень важное. Если вы не будете убираться на кухне целый месяц, очень скоро жизнь в вашем доме станет невозможной. Но для мозга последствия такого застоя могут быть гораздо серьёзнее, чем конфуз с немытыми столешницами, потому что, когда дело касается очищения мозга, на кону стоят его здоровье и правильная работа. Вот почему понимание простых «хозяйственных» функций мозга сегодня может стать решающим в профилактике и лечении его болезней завтра.

Читайте также:

ПУСТОЙ МОЗГ

 

ИИ РАСШИФРУЕТ АКТИВНОСТЬ МОЗГА

 

НОВАЯ КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ МОЖЕТ ОБЪЯСНИТЬ ПОТОК ВРЕМЕНИ

 

ПРОФЕССОР ДОНАЛЬД ХОФФМАН ПРОТИВ РЕАЛЬНОСТИ