Smadzenes patērē ārkārtīgi daudz enerģijas, salīdzinot ar lielāko daļu citu orgānu. Tomēr tās spēj turpināt apstrādāt informāciju arī tad, kad enerģijas ir mazāk, pielāgojot pieejamo resursu izmantošanu. Zinātnieki joprojām mēģina noskaidrot, kā smadzenes pārvalda šo enerģijas budžetu, mainoties to iekšējiem stāvokļiem.

Miegs ir piemērots stāvoklis šā jautājuma izpētei. Lai gan ķermenis atpūšas, smadzenes turpina aktīvi darboties, īpaši ātro acu kustību jeb REM miega laikā. Šī miega fāze ir cieši saistīta ar sapņošanu un atmiņas apstrādi, un to bieži dēvē par “paradoksālo miegu”, jo ķermenis lielākoties ir nekustīgs, kamēr smadzeņu aktivitāte atgādina nomodu.

Pētnieki no Tohoku Universitātes tagad identificējuši vēl vienu REM miega paradoksu. Šajā fāzē šķietamā enerģijas piegāde smadzenēm, kas sapņo, palielinās, taču enerģijas molekulas ATP līmenis, ko neironi izmanto tieši, vienlaikus samazinās. Pētījuma rezultāti publicēti žurnālā Communications Biology.

“Vai esat kādreiz juties noguris pēc spilgta sapņa?” jautā Tohoku Universitātes profesors Ko Matsui. “Miegs var šķist mierīgs, taču smadzenes ir ļoti aktīvas — īpaši sapņošanas laikā. Mūs ieinteresēja šis paradokss, un mēs vēlējāmies izpētīt zinātnisko pamatojumu tam, kāpēc sapņošana kaut kādā veidā nogurdina.”

Kā pētnieki sekoja enerģijas izmaiņām

Lai noskaidrotu, kas miegā notiek ar smadzeņu enerģiju, pētnieki izmantoja ultravioletajā starojumā sacietējošus sveķus, kas peļu galvaskausus padarīja caurspīdīgus. Tas ļāva novērot dzīvnieku smadzenes dabiskā miega laikā.

Izmantojot plaša lauka fluorescences attēlveidošanu, zinātnieki sekoja smadzeņu asins tilpuma izmaiņām kā ienākošās “degvielas” piegādes rādītājam. Vienlaikus viņi mērīja neironu ATP — enerģijas molekulu, kas nodrošina neironu darbību — un astrocītu piruvātu. Piruvāts ir būtisks savienojums, kas sasaista no asinīm saņemto glikozi ar enerģijas vielmaiņu smadzenēs.

Ne-REM miegs ir labi zināms ar spēcīgu neironu aktivitāti delta joslas frekvencē, taču tajā novērojamas arī mazākas svārstības teta joslā. Pētnieki konstatēja, ka šīs teta joslas izmaiņas varēja paredzēt smadzeņu asins tilpuma pārmaiņas pēc dažām sekundēm. Tas liecina, ka guļošās smadzenes pielāgo asinsvadu darbību mainīgajai neironu aktivitātei un vielmaiņas pieprasījumam.

Pirms REM miega palielinās asinsapgāde

Pārejot no ne-REM miega uz REM miegu, parādījās atšķirīgs modelis. Aptuveni 50 sekundes pirms klasiskās REM miega sākuma definīcijas smadzeņu asins tilpums sāka palielināties. Šīs pārmaiņas sākās aizmugurējā garozā un pēc tam izplatījās uz priekšu, norādot uz plaša mēroga procesu, kas smadzenes varētu metaboliski sagatavot REM miega fāzei.

Līdz ar REM miega sākumu palielinājās arī astrocītu piruvāta līmenis. Šis pieaugums varētu nozīmēt, ka smadzenēm kļūst pieejams vairāk vielmaiņas “degvielas” vai ka astrocītos pastiprinās glikolītiskā aktivitāte.

Tomēr ATP līmenis neironos samazinājās. Pētnieki piedāvā vairākus iespējamos skaidrojumus. REM miega laikā neironi varētu patērēt lielu ATP daudzumu, lai nodrošinātu ar atmiņu saistītu sinapšu pārkārtošanos, saziņu starp hipokampu un smadzeņu garozu vai plašas pārmaiņas smadzeņu ķēžu darbībā.

Vēl viena iespēja ir tā, ka REM miega laikā mainās vielmaiņas resursu pārnese no astrocītiem uz neironiem. Tāpat šajā miega fāzē varētu mainīties ATP ražošana mitohondrijos. Neatkarīgi no precīzā mehānisma rezultāti liecina, ka sapņojošās smadzenes var darboties ar neparasti lielu enerģijas pieprasījumu pat tad, kad to “degvielas” piegāde palielinās.

Ko tas nozīmē smadzeņu enerģijas ekonomikai

Pētījuma rezultāti var atklāt arī ko fundamentālāku par bioloģisko skaitļošanu. Atšķirībā no tradicionālajiem datoriem dzīvnieku smadzenēm jādarbojas stingru vielmaiņas ierobežojumu apstākļos. Nervu sistēma enerģiju, visticamāk, nepiegādā vienmērīgi visām smadzeņu daļām, bet pārdala resursus atkarībā no uzvedības stāvokļa, atmiņas prasībām un citām iekšējām vajadzībām.

“Izpratne par to, kā smadzenes līdzsvaro enerģijas piegādi un patēriņu, var palīdzēt izskaidrot, kas padara bioloģisko intelektu tik efektīvu,” skaidro vadošais pētnieks Yusuke Takahashi. “REM miegs sniedz dabisku piemēru tam, kā smadzenes pārorganizē savu enerģijas ekonomiku, lai nodrošinātu sarežģītu iekšējo apstrādi.”

Miegam ir būtiska nozīme tādos procesos kā atmiņas nostiprināšana un garīgās veiktspējas saglabāšana nākamajā dienā. Atklājot, kā REM miega laikā mainās enerģijas piegāde un izmantošana, pētījums papildina izpratni par to, kāpēc miegs ir tik svarīgs ne tikai ķermenim, bet arī smadzenēm.