Новое исследование выявило решающую роль сна: мозговые волны способствуют очищению мозга путем вымывания отходов. Это открытие не только подчеркивает состояние мозга во время сна, но также подчеркивает сложную систему, в которой синхронизированная активность нейронов обеспечивает движение спинномозговой жидкости, эффективно удаляя метаболические отходы и потенциально вызывающие нейродегенеративные заболевания токсины.
Во сне кроется парадокс. Его кажущееся спокойствие соседствует с бурлящей деятельностью мозга. Ночь тиха, но мозг далеко не дремлет. Во время сна клетки мозга производят всплески электрических импульсов, которые складываются в ритмические волны — признак усиленной функции клеток мозга.
Но почему мозг активен, когда мы отдыхаем?
Медленные мозговые волны связаны с спокойным, освежающим сном. Ученые из Медицинской школы Вашингтонского университета (Washington University) в Сент-Луисе обнаружили, что мозговые волны помогают вымывать отходы из мозга во время сна. Отдельные нервные клетки координируют свои действия, создавая ритмические волны, которые продвигают жидкость через плотную ткань мозга, промывая ее при этом.
«Эти нейроны представляют собой миниатюрные насосы. Синхронизированная нейронная активность обеспечивает поток жидкости и удаление мусора из мозга», — объяснил первый автор Ли-Фэн Цзян-Се (Li-Feng Jiang-Xie), научный сотрудник отделения патологии и иммунологии.
«Если мы сможем развивать этот процесс, появится возможность отсрочить или даже предотвратить неврологические заболевания, включая болезни Альцгеймера и Паркинсона, при которых избыточные отходы, такие как метаболические отходы и ненужные белки, накапливаются в мозге и приводят к нейродегенерации».
Результаты опубликованы в научном журнале Nature.
Клетки мозга управляют мыслями, чувствами и движениями тела и образуют динамические сети, необходимые для формирования памяти и решения проблем. Но для выполнения таких энергозатратных задач клеткам мозга требуется топливо. Потребление ими питательных веществ из рациона приводит к образованию метаболических отходов.
«Очень важно, чтобы мозг избавлялся от метаболических отходов, которые могут накапливаться и способствовать развитию нейродегенеративных заболеваний», — добавляет Джонатан Кипнис (Jonathan Kipnis), профессор патологии и иммунологии.
«Мы знали, что сон — это время, когда мозг запускает процесс очистки, чтобы вымывать отходы и токсины, которые он накапливает во время бодрствования. Но мы не знали, как это происходит. Эти результаты могут указать нам на стратегии и потенциальные методы лечения, которые помогут ускорить удаление вредных отходов и удалить их до того, как это может привести к ужасным последствиям».
Но очистка мозга — непростая задача. Спинномозговая жидкость, окружающая мозг, проникает и проходит сквозь сложную клеточную сеть, собирая по пути токсичные отходы. При выходе из мозга загрязненная жидкость должна пройти через барьер, прежде чем попасть в лимфатические сосуды твердой мозговой оболочки – внешнего слоя ткани, окутывающего мозг под черепом. Но что обеспечивает движение жидкости в мозг, через него и из него?
Изучая мозг спящих мышей, исследователи обнаружили, что нейроны управляют усилиями по очистке, посылая электрические сигналы скоординированным образом, генерируя ритмические волны в мозгу, объяснил Цзян-Се. Они определили, что такие волны способствуют движению жидкости.
Исследовательская группа заставила замолчать определенные области головного мозга, чтобы нейроны в этих областях не создавали ритмические волны. Без этих волн свежая спинномозговая жидкость не могла бы течь через молчащие области мозга, а захваченные отходы не могли бы покинуть ткань мозга.
«Одна из причин, по которой мы спим, — это очищение мозга», — объясняет Кипнис.
«И если мы сможем улучшить этот процесс очищения, возможно, сможем спать меньше и оставаться здоровыми. Не каждый может спать по восемь часов каждую ночь, а потеря сна влияет на здоровье.
«Другие исследования показали, что мыши, которые генетически запрограммированы меньше спать, имеют здоровый мозг. Может быть, потому, что они более эффективно очищают свой мозг от отходов? Можем ли мы помочь людям, страдающим бессонницей, усилив очищающие способности их мозга, чтобы они могли обходиться меньшим количеством сна?»
Паттерны мозговых волн меняются на протяжении циклов сна. Следует отметить, что более высокие мозговые волны с большей амплитудой перемещают жидкость с большей силой. Теперь исследователи заинтересованы в том, чтобы понять, почему во время сна нейроны излучают волны с различной ритмичностью и какие области мозга наиболее уязвимы к накоплению отходов.
«Мы полагаем, что процесс очистки мозга похож на мытье посуды», — заключает нейробиолог Цзян-Се.
«Например, вы начинаете с больших, медленных и ритмичных движений, чтобы убрать растворимые отходы, разбрызганные по тарелке. Затем вы уменьшаете диапазон движений и увеличиваете скорость этих движений, чтобы удалить с тарелки особо липкие пищевые отходы. Несмотря на различную амплитуду и ритм движений рук, главная цель остается неизменной: удалить различные виды отходов с посуды. Возможно, мозг корректирует метод очистки в зависимости от типа и количества отходов».
Original Research: Closed access.
“Neuronal dynamics orchestrate cerebrospinal fluid perfusion and brain clearance” by Li-Feng Jiang-Xie et al. Nature
