Учёные обнаружили энергетический парадокс REM-сна: крови больше, а АТФ в нейронах меньше

Мозг усиливает кровоснабжение ещё до начала REM-сна, но концентрация энергетических молекул в нервных клетках неожиданно снижается

Спящий мозг не обязательно экономит энергию

Когда человек засыпает, кажется, что организм переходит в режим отдыха. Мышцы расслабляются, движения сокращаются, сознательное взаимодействие с окружающим миром прекращается. Но внутри мозга продолжаются сложные процессы, связанные с обработкой информации и работой памяти.

Особенно интересна фаза REM-сна — от английского rapid eye movement, или «быстрые движения глаз».

В этот период электрическая активность мозга по некоторым характеристикам напоминает бодрствование. При этом большинство скелетных мышц временно теряет способность активно двигаться. Такое необычное сочетание активности мозга и неподвижности тела давно стало причиной другого названия REM-фазы — «парадоксальный сон».

Именно в REM-фазе чаще возникают насыщенные, эмоциональные и запоминающиеся сновидения. Хотя сны возможны и в других стадиях сна, REM особенно тесно связан с активной внутренней обработкой информации.

Но возникает вопрос: как мозг обеспечивает энергией эту деятельность, если организм в целом находится в состоянии сна?

Ответ оказался сложнее привычного представления о том, что усиленное кровоснабжение автоматически улучшает энергетическое обеспечение нейронов.

Как учёные наблюдали энергетический обмен во время сна

27 июля 2026 года исследователи Университета Тохоку в Японии опубликовали в журнале Communications Biology работу Energy paradox in REM sleep: balancing supply and consumption in brain metabolism.

В исследовании использовали 15 взрослых самцов мышей. Учёные наблюдали активность их мозга во время естественного сна с помощью широкопольной флуоресцентной визуализации.

Метод позволял регистрировать изменения сразу в больших участках коры через сохранённые кости черепа, не создавая открытого окна непосредственно над мозговой тканью.

Для эксперимента применяли генетически кодируемые флуоресцентные сенсоры — белки, свечение которых изменяется в зависимости от концентрации определённых веществ. Благодаря этому можно наблюдать метаболические процессы непосредственно в живых клетках.

Исследователи изучали три показателя:

• Объём крови в мозге — показатель состояния сосудистой системы, связанной с доставкой кислорода и питательных веществ.
• Концентрацию пирувата в астроцитах — клетках, которые участвуют в метаболической поддержке нейронов. Пируват образуется, в частности, при расщеплении глюкозы и может использоваться в дальнейших энергетических реакциях.
• Концентрацию АТФ в нейронах — аденозинтрифосфата, молекулы, непосредственно обеспечивающей энергией множество клеточных процессов.

Для регистрации пирувата и АТФ использовали разные генетические линии мышей. Поэтому изменения этих веществ сопоставляли между группами животных, а не измеряли оба показателя одновременно в одних и тех же клетках.

Дополнительно электроды регистрировали активность мозга и мышц, позволяя точно различать бодрствование, медленный сон и REM-фазу.

Что происходит с мозгом за 50 секунд до REM-сна

Первое неожиданное наблюдение касалось не самой REM-фазы, а перехода к ней.

Примерно за 50 секунд до её начала объём крови в коре головного мозга начинал увеличиваться.

Изменения возникали преимущественно в задних отделах коры и постепенно распространялись вперёд. Одновременно возрастала выраженность тета-ритма — определённого типа электрических колебаний, связанных с активностью нейронных сетей.

Иными словами, сосудистые изменения начинались раньше, чем электрические показатели позволяли формально определить начало REM-сна.

Авторы рассматривают это как возможный признак предварительной подготовки мозга к новому функциональному состоянию.

При этом концентрации пирувата в астроцитах и АТФ в нейронах до начала REM-фазы существенно не менялись.

Это важная деталь. Увеличение объёма крови само по себе ещё не сопровождалось накоплением измеряемых энергетических веществ внутри клеток.

Основные метаболические изменения начинались уже после перехода в REM-сон.

Почему больше крови не означает больше энергии

Во время REM-фазы исследователи увидели два противоположных процесса.

С одной стороны, объём крови в коре оставался повышенным. Одновременно в астроцитах увеличивалась концентрация пирувата.

Такая картина совместима с усилением доступности метаболического сырья или с изменением интенсивности переработки глюкозы внутри самих астроцитов.

С другой стороны, концентрация АТФ в нейронах заметно снижалась.

На первый взгляд это противоречие.

Если к мозгу поступает больше крови, а в поддерживающих клетках становится больше вещества, участвующего в энергетическом обмене, можно ожидать, что энергетическое обеспечение нейронов тоже улучшится.

Но наблюдения показали другое.

Особенно выраженными изменения оказались в задних областях коры, включая ретросплениальную кору — область, участвующую в пространственной памяти и взаимодействии различных нейронных сетей.

После пробуждения показатели также восстанавливались неодинаково. Концентрация АТФ в нейронах быстро возвращалась к исходному уровню, тогда как повышенный пируват в астроцитах сохранялся несколько дольше.

Получается, что сосудистая система, астроциты и нейроны не всегда меняют свою активность синхронно.

Именно эта разница между доступностью метаболических ресурсов и концентрацией АТФ внутри нервных клеток составляет главный энергетический парадокс исследования.

Куда может исчезать АТФ во время сновидений

Чтобы понять происходящее, полезно представить энергетическую систему мозга как непрерывно работающую сеть.

Кровеносные сосуды обеспечивают доставку веществ, необходимых для обмена энергии. Астроциты участвуют в их переработке и взаимодействуют с нейронами. Сами нейроны используют АТФ для передачи сигналов, восстановления ионных градиентов и изменения связей между клетками.

Однако концентрация АТФ определяется не только тем, сколько энергии производится. Она зависит от равновесия между образованием и использованием этих молекул.

Исследователи рассматривают несколько возможных объяснений обнаруженного снижения.

Первый — нейроны действительно начинают быстрее расходовать АТФ.

Во время REM-сна происходит согласованная активность различных областей мозга, включая гиппокамп и кору. Такие процессы могут участвовать в переработке воспоминаний и перестройке синаптических связей — контактов, через которые нейроны передают информацию.

Поддержание и изменение этих связей требует энергии.

Но авторы отмечают, что одного увеличения частоты электрических импульсов нейронов, вероятно, недостаточно для объяснения наблюдаемого падения АТФ.

Второе возможное объяснение — меняется передача энергетических субстратов от астроцитов к нейронам.

Астроциты способны участвовать в обеспечении нервных клеток такими соединениями, как лактат. Если во время REM-сна эффективность этой передачи временно снижается, пируват может накапливаться в астроцитах, а нейроны при этом будут получать меньше доступного сырья для производства АТФ.

Третья гипотеза связана с митохондриями — клеточными структурами, в которых производится значительная часть АТФ.

Во время REM-фазы может изменяться соотношение различных путей энергетического обмена. Например, клетки способны временно перераспределять нагрузку между митохондриальным производством энергии и гликолизом — процессом расщепления глюкозы.

Потенциально такая перестройка может быть связана не только с энергетическими потребностями, но и с регулированием окислительного стресса.

Все три механизма биологически правдоподобны. Однако данное исследование не установило, какой из них определяет снижение АТФ и каков вклад каждого.

Открытие меняет представление об энергетике мозга

Главный результат работы шире, чем наблюдение за одной фазой сна.

Долгое время активность кровоснабжения мозга служила важным косвенным ориентиром при изучении нейронной деятельности. На этом принципе, в частности, основаны некоторые подходы функциональной магнитно-резонансной томографии.

Когда определённая область мозга становится активнее, меняются её потребности в кислороде и питательных веществах. Сосудистая система реагирует на эти изменения.

Но кровоснабжение и доступная внутриклеточная энергия — не одно и то же.

Новые данные показывают, что увеличение объёма крови может сопровождаться снижением концентрации АТФ в нейронах.

Это не означает, что привычные методы исследования мозговой активности неверны. Скорее, результаты напоминают о пределах их интерпретации: сосудистые сигналы не позволяют напрямую измерить энергетическое состояние нервных клеток.

Для более полного понимания работы мозга необходимо учитывать взаимодействие сосудов, астроцитов и нейронов.

Может ли яркий сон действительно утомлять мозг

Здесь возникает естественная ассоциация с повседневным опытом.

Иногда человек просыпается после насыщенных сновидений с ощущением, будто всю ночь решал сложные задачи, переживал события или физически действовал.

Не означает ли новое открытие, что сновидения способны истощать энергетические запасы мозга?

Пока такого вывода сделать нельзя.

Исследователи изучали физиологические фазы сна у мышей, а не содержание субъективных сновидений у людей.

Кроме того, снижение концентрации АТФ не равнозначно энергетическому истощению клетки. Оно может отражать временную перестройку баланса между производством, передачей и потреблением энергии.

Особенно показательно, что после пробуждения концентрация АТФ быстро восстанавливалась.

Работа также не исследовала утреннюю усталость, качество отдыха или самочувствие после сна.

Поэтому утверждать, что яркие сны расходуют энергетические запасы и вызывают разбитость, было бы преждевременно.

Устойчивая дневная сонливость и ощущение недостаточного восстановления могут быть связаны с множеством факторов, включая недостаточную продолжительность сна, его фрагментацию и нарушения дыхания во сне. Если такие симптомы повторяются, их стоит обсудить с врачом, а не объяснять исключительно интенсивными сновидениями.

Что учёным ещё предстоит выяснить

У исследования есть несколько важных ограничений.

Прежде всего, эксперимент проводился на небольшом количестве лабораторных мышей, причём только самцов. Насколько точно обнаруженные закономерности воспроизводятся у человека, пока неизвестно.

Измерялись концентрации отдельных метаболитов и изменения объёма крови, но не полный энергетический баланс мозга.

Увеличение объёма крови также не является прямым измерением количества поступившей глюкозы или кислорода.

Наконец, флуоресцентная визуализация позволила установить последовательность событий, но сама по себе не доказала причинную связь между сосудистыми изменениями и снижением АТФ.

Следующим шагом должны стать исследования, которые позволят непосредственно проверить передачу метаболических веществ между астроцитами и нейронами, работу митохондрий и изменение потребления АТФ во время REM-сна.

Отдельный вопрос — связана ли эта временная энергетическая перестройка с закреплением памяти, изменением синаптических связей и другими функциями сна.

В перспективе такие исследования могут расширить понимание нарушений сна и заболеваний, при которых страдает энергетический обмен в нервной ткани.

Однако до появления новых диагностических методов или способов лечения на основе этого открытия ещё далеко.