Никита Марков

Ученый-невролог Джефф Илифф ведет исследования в двух направлениях. Первое связано с деятельностью глиальных клеток, способствующих поддержанию внутри мозга нужной для функционирования нейронов среды. Если они не справляются с задачей, как, например, при сосудистой деменции, инфаркте или травме головного мозга, запускается процесс нейродегенерации. Второе направление – определение базовых клеточных механизмов, с помощью которых кровоток в мозгу координирует движение вверх и вниз по сосудистому дереву. Джефф входил в команду Рочестерского университета, открывшую очистительную систему мозга, окрещенную глимфатической. В лекции на платформе TED Илифф рассказывает, казалось бы, об очевидном – о важности сна. Однако не спешите закрыть страницу – в том, что мы сегодня знаем о работе головного мозга, очевидного крайне мало, гораздо больше загадочного. Slon публикует собственный перевод лекции.

Сон. Мы треть жизнь спим, не понимая толком сути этого состояния. Две тысячи лет назад Гален, один из видных медиков античности, предположил, что во время бодрствования энергия мозга, разливается по телу, заставляя нас двигаться. Мозг же естественным образом истощается (Закон сохранения энергии в трактовке Галена? – Slon). А вот когда мы спим, живительная влага возвращается назад, заново питая мозг, освежая и обновляя его. Сегодня это звучит довольно безумно, но Гален не без успеха пытался объяснить то, с чем человек сталкивается каждый день. Из нашего опыта мы знаем, что сон проясняет разум, а его недостаток, напротив, туманит сознание. Нам известно о сне гораздо больше, чем Галену и его современникам, но и по сей день остается загадкой – что именно делает сон единственным процессом и состоянием, способным настолько эффективно восстанавливать работу мозга.

Сон, как мы видим из недавних исследований, – весьма ловко придуманное решение проблемы удовлетворения базовых потребностей мозга. Это инструмент, позволяющий мозгу отвечать повышенным требованиям, которые предъявляет к нему как к совершенно особому органу, отличному от прочих в нашем теле, физиология.

Если представить все процессы в организме, как серию задач и их решений, то первой из таких задач оказывается бесперебойная транспортировка питательных веществ к каждому органу. На долю мозга приходится только 2% массы тела человека, однако расходует он до четверти всей энергии. Для него «доставка продовольствия» особенно критична. Сердечно-сосудистая система решает эту проблему, посылая по кровеносным сосудам питательные вещества и кислород в каждую клетку.

Вот тут это хорошо видно:

Это кровеносные сосуды мозга мыши, они формируют сложную сеть. Она охватывает весь мозг полностью, спускаясь с поверхности в глубину, и доставляют питательные вещества в каждую клетку мозга.

Клетке, однако, нужна не только система питания, но и механизм вывоза мусора, очищения от отработанных веществ, и это вторая важная задача. Лимфатическая система эволюционировала таким образом, чтобы максимально полно реализовывать эту потребность организма.

Это параллельная сеть сосудов, пронизывающая тело. Она забирает белки и другие отходы из межклеточного пространства, а затем сбрасывает в кровь, чтобы от них можно было избавиться. Однако есть странность, ее можно заметить, увеличив изображение: мозг лимфатических сосудов лишен, в нем их просто нет.

Удивительно, правда? Мозг – интенсивно работающий орган, значит, он и отходов производит много, а от них нужно каким-то образом избавляться. Тем не менее лимфатических сосудов в нем нет, поэтому способ, с помощью которого очищаются другие органы, здесь не работает.

Так как же мозг решает эту проблему? То, что мы обнаружили, оказалось предельно неожиданным, сложноорганизованным и прекрасным. Вы наверняка знаете о существовании ликвора, цереброспинальной жидкости. Она заполняет пространство вокруг мозга, и отходы попадают в нее, а оттуда в кровь. Похоже на лимфатическую систему, да? Циркуляция, конечно, не происходит хаотично, есть специальная система, этот процесс регулирующая. Вот механизм ее работы на примере мозга живой мыши.

Кадр слева показывает, что происходит на поверхности мозга, а справа – то, что происходит внизу, в ткани. Мы отметили кровеносные сосуды красным, а ликвор зеленым. Нас удивило, что жидкость снаружи мозга не оставалась там надолго, а снова проникала внутрь, передвигаясь вдоль кровеносных сосудов, и помогала очищать межклеточное пространство. Использовать поверхность кровеносных сосудов – прекрасное дизайн-решение, потому что мозг находится в замкнутом пространстве черепа, и всунуть туда вторую сосудистую сеть просто нет физической возможности.

Кровеносные сосуды тянутся от поверхности мозга к каждой его клетке, и жидкость, путешествующая по сосудистым стенкам снаружи, имеет доступ ко всему объему мозга. Весьма толковый способ использовать один тип сосудов, кровеносных, и заставить их выполнять работу лимфатической системы. Такая схема не используется нигде, кроме мозга.

Наше самое удивительное открытие состояло в том, что все описанные процессы происходят в мозге исключительно в период сна. Эта картинка демонстрирует, сколько цереброспинальной жидкости проходит через мозг живой мыши, когда она бодрствует.

Да нисколько практически. А вот когда мышь спит, жидкость сплошным потоком идет через мозг. Мы выяснили, что во время сна клетки мозга сокращаются в размерах, открывая межклеточное пространство, что помогает жидкости вычищать отходы.

Оказывается, Гален был не так уж и не прав в своих предположениях! Наше собственное исследование, проведенное на 2 тысячи лет позже, предполагает, что в период бодрствования мозг откладывает процесс очистки на потом, а когда переходит в спящий режим, удаляет накопившиеся за день отходы. Вроде того, как мы с вами откладываем уборку на выходные.

А что это, вообще говоря, за отходы, от которых мозг избавляется во время сна? Один из них – бета-амилоид, постоянно продуцируемый белок. Мой мозг производит его прямо сейчас, как, впрочем, и ваш. Но у пациентов, страдающих болезнью Альцгеймера, бета-амилоид не вычищается из межклеточного пространства, накапливается в нем. Накопление бета-амилоида считается одной из причин развития этого ужасного заболевания. Мы вычислили, как быстро бета-амилоид удаляется из мозга во время сна и во время бодрствования. Результат предсказуем: действительно, бета-амилоид вычищается гораздо быстрее, когда мозг отдыхает.

Если сон – часть решения проблемы избавления мозга от отработанных веществ, это может сильно изменить подход к болезни Альцгеймера. Серия недавних исследований предполагает, что среди пациентов, у которых это заболевание еще не развилось, снижение качества и продолжительности сна коррелирует с количеством накопленного бета-амилоида. Важно отметить, что исследования не доказывают, что недостаток сна или плохой сон вызывают болезнь Альцгеймера, а предполагают лишь, что неспособность мозга к очистке от отходов типа бета-амилоида может потенцировать развитие таких заболеваний.

Новое исследование говорит нам о том, что мы и так уже знали, о чем догадывался Гален: сон освежает и очищает разум. Человек спит каждую ночь, но мозг не отдыхает никогда. Когда наше тело неподвижно, а сознание погружено в сон, тонкие механизмы занимаются уборкой и поддержанием работоспособности удивительно сложной системы. Грязная и неблагодарная, как работа по дому, но она необходима. Если вы месяц не будете наводить порядок в кухне, пользоваться ею станет затруднительно. Но последствия пренебрежения уборкой в случае мозга могут быть куда серьезней, чем чувство стыда из-за грязной посуды, на кону здесь – здоровье и функционирование тела и разума.

http://slon.ru/calendar/event/1183406/