След нощ, изпълнена с ярки сънища, човек понякога се събужда с чувство на умора — и за това има научно обяснение. Изследване върху мишки показа, че по време на фазата на бързия сън (REM-сън) невроните изразходват повече енергия, отколкото успяват да възстановят. Въпреки че мозъкът предварително засилва кръвообращението и натрупва хранителни вещества, интензивната обработка на спомените и преструктурирането на невронните връзки водят до временно понижение на нивото на АТФ — основният източник на енергия в клетките.
REM-сънят се нарича „парадоксален сън“, защото през този период мозъкът работи почти толкова активно, колкото и в състояние на бодърстване: възникват ярки сънища, засилва се обменът на информация между областите на мозъка, а също така протичат процеси, свързани с паметта и емоционалната регулация. При това тялото остава в състояние на дълбоко отпускане.
За да наблюдават промените в метаболизма по време на естествения сън, изследователите от Университета Тохоку покриха черепите на мишките с прозрачна смола, втвърдяваща се под въздействието на ултравиолетови лъчи. Това им позволи да наблюдават голяма част от кората на големия мозък, без да се налага отстраняване на част от черепа, което би могло да увреди кръвоносните съдове и поддържащите клетки. С помощта на широколентова флуоресцентна микроскопия екипът проследава три компонента на енергийната система: обемът на кръвта (показва притока на енергия) пируватът в астроцитите (отразяващ преработката на глюкозата) и АТФ в невроните (показващ наличната енергия за незабавно използване).
Фазите на съня
По време на фазата на бавния сън изследователите отбелязаха логична взаимовръзка: леките колебания в мозъчните ритми предсказваха промени в обема на кръвта след 4–5 секунди. При прехода към фазата на бързия сън обаче динамиката се променя. Обемът на кръвта започва да се увеличава 50 s преди началото на REM-съня, първо в задната част на кората, след което се разпространява напред. Това свидетелства, че мозъкът предварително започва да се подготвя за интензивните енергийни нужди на REM-съня.
С началото на фазата на бързия сън нивото на пируват в астроцитите — спомагателните клетки на мозъка, които преработват глюкозата и помагат за снабдяването на невроните с енергия — се повишава. Това сочи за увеличаване на запасите от метаболитен материал. Концентрацията на АТФ в самите неврони обаче, напротив, намалява. Вероятно по време на REM-съня невроните изразходват АТФ по-бързо, отколкото организмът успява да го възстанови. Възможните причини за това са активното преструктуриране на невронните връзки, обработката на спомените или промяна в работата на митохондриите, които произвеждат енергия вътре в клетките.
Резултатите показват, че връзката между постъпването на „гориво“ и наличната енергия в мозъка е по-сложна, отколкото се смяташе по-рано. Дори засилването на кръвния поток и увеличаването на запасите от хранителни вещества не водят автоматично до нарастване на наличната енергия за невроните. Вероятно мозъкът регулира поотделно постъпването, преработката и разхода на енергия, тоест преразпределя ресурсите между различните системи в зависимост от текущите нужди.
Изследването на REM-съня позволява по-добро разбиране на това как мозъкът поддържа сложните процеси при относително ниска енергийна консумация. Въпреки милиардите неврони и непрекъснатата обработка на информация, човешкият мозък използва около 20 W енергия — приблизително колкото една малка електрическа крушка. Възможно е именно способността за гъвкаво управление на енергийните ресурси да е една от причините за високата ефективност на биологичния интелект.