کمبود انرژی مغز هنگام رویادیدن/ کشفی که خواب را دگرگون میکند

پژوهش‌های جدید نشان می‌دهد که در مرحله خواب REM، با وجود افزایش جریان خون و سوخت‌رسانی به مغز، نورون‌ها ممکن است انرژی را سریع‌تر از توانایی خود برای تولید مجدد آن مصرف کنند.

کد خبر: ۲۱۵۶۴۳۷

۲۱ مرداد ۱۴۰۵

مغز در هنگام خواب و رؤیا دیدن برخلاف ظاهر آرام بدن، فعالیت بسیار زیادی دارد و پژوهشی جدید روی موش‌ها نشان داده است که مرحله خواب REM با یک تناقض متابولیکی قابل‌توجه همراه است!

خواب از بیرون حالتی آرام و بی‌تحرک به نظر می‌رسد، اما مغز در این ساعات لزوماً استراحت نمی‌کند. به‌ویژه در مرحله‌ای از خواب که با رؤیا‌های زنده و حرکت سریع چشم‌ها همراه است، مغز می‌تواند فعالیتی بسیار شبیه به زمان بیداری داشته باشد. پژوهش جدیدی از دانشگاه توهوکو در ژاپن اکنون نشان داده است در این مرحله، اتفاق عجیبی برای اقتصاد انرژی مغز رخ می‌دهد: با وجود افزایش جریان خون و آماده شدن منابع سوختی، میزان انرژی فوری در دسترس نورون‌ها کاهش پیدا می‌کند.

این مطالعه می‌تواند نگاه ما به خواب و فعالیت مغز در این دوره را تغییر دهد. شاید مغز در زمان خواب، برخلاف تصور رایج، نه‌تنها خاموش نمی‌شود، بلکه در برخی لحظات به‌شدت درگیر فعالیت‌های پیچیده است و حتی ممکن است انرژی را سریع‌تر از سرعت جایگزینی آن مصرف کند.

خواب REM؛ وقتی مغز بیدار به نظر می‌رسد

خواب REM یا «خواب با حرکت سریع چشم» یکی از مراحل مهم چرخه خواب است. در این مرحله، چشم‌ها در حالی که پلک‌ها بسته هستند، به‌سرعت حرکت می‌کنند و رؤیا‌های واضح، پیچیده و گاه عجیب بیشتر در همین زمان رخ می‌دهند. از سوی دیگر، بیشتر عضلات بدن در حالت شل و کم‌تحرک قرار دارند.

همین تضاد باعث شده خواب REM را گاهی «خواب متناقض» بنامند؛ بدن در آرام‌ترین وضعیت خود قرار دارد، اما مغز می‌تواند بسیار فعال باشد. دانشمندان خواب REM را با فرایند‌هایی مانند پردازش خاطرات، تنظیم هیجانات و ارتباط میان بخش‌های مختلف مغز مرتبط می‌دانند. با این حال، هنوز مشخص نیست مغز دقیقاً چگونه انرژی مورد نیاز خود را برای چنین فعالیت‌هایی تأمین می‌کند.

پژوهشگران دانشگاه توهوکو برای یافتن پاسخ، تغییرات انرژی مغز موش‌ها را هنگام خواب طبیعی بررسی کردند. آنها با استفاده از یک روش تصویربرداری ویژه توانستند بدون برداشتن بخشی از جمجمه، فعالیت بخش بزرگی از قشر مغز را مشاهده کنند.

سه شاخص اصلی به‌طور هم‌زمان بررسی شد: حجم خون در قشر مغز، میزان پیرووات در آستروسیت‌ها و سطح ATP در نورون‌ها. ATP یا آدنوزین تری‌فسفات را می‌توان نوعی «واحد انرژی فوری» سلول دانست؛ مولکولی که انرژی لازم برای بسیاری از فعالیت‌های سلولی را در اختیار نورون‌ها قرار می‌دهد. پیرووات نیز یکی از مواد مهم حاصل از پردازش گلوکز است و می‌تواند در فرایند تولید انرژی به کار رود.

یکی از جالب‌ترین یافته‌های پژوهش این بود که مغز حتی پیش از آغاز خواب REM برای نیاز انرژی این مرحله آماده می‌شود. پژوهشگران مشاهده کردند که حجم خون در قشر مغز تقریباً ۵۰ ثانیه پیش از شروع خواب REM افزایش پیدا می‌کند. این افزایش ابتدا در بخش‌های پشتی مغز دیده شد و سپس به سمت قسمت‌های جلویی گسترش یافت.

این موضوع نشان می‌دهد مغز ممکن است پیش از آغاز رسمی مرحله REM، سیستم تأمین انرژی خود را فعال کند؛ گویی مغز از چند ده ثانیه قبل می‌داند که قرار است وارد دوره‌ای با فعالیت عصبی بالا شود. پس از آغاز خواب REM، میزان پیرووات در آستروسیت‌ها نیز افزایش پیدا کرد. آستروسیت‌ها سلول‌های پشتیبان مغز هستند که در میان رگ‌های خونی و نورون‌ها قرار دارند و نقش مهمی در دریافت و پردازش مواد سوختی دارند.

در نتیجه، به نظر می‌رسید مغز هم خون بیشتری دریافت می‌کند و هم مواد اولیه بیشتری برای تولید انرژی در اختیار دارد. اما در همین نقطه، اتفاقی غیرمنتظره رخ داد.

انرژی نورون‌ها کمتر شد؛ با وجود اینکه سوخت بیشتری در دسترس بود

برخلاف جریان خون و پیرووات، میزان ATP در نورون‌ها کاهش پیدا کرد. این نتیجه در نگاه نخست عجیب است. اگر خون بیشتری به مغز می‌رسد و آستروسیت‌ها نیز مواد متابولیکی بیشتری در اختیار دارند، چرا میزان انرژی فوری موجود در نورون‌ها افزایش پیدا نمی‌کند؟

یکی از توضیحات احتمالی این است که نورون‌ها در خواب REM انرژی را با سرعت بسیار بالایی مصرف می‌کنند. فعالیت شدید شبکه‌های عصبی، پردازش اطلاعات، تنظیم هیجانات، بازسازمان‌دهی مدار‌های مغزی و ارتباط میان بخش‌هایی مانند هیپوکامپ و قشر مغز، همگی می‌توانند انرژی زیادی نیاز داشته باشند.

در چنین شرایطی، ممکن است سرعت مصرف ATP برای مدتی از سرعت تولید آن بیشتر شود. در نتیجه، سطح ATP کاهش می‌یابد؛ نه لزوماً به این دلیل که مغز با کمبود سوخت مواجه است، بلکه، چون نورون‌ها انرژی موجود را با سرعت بیشتری مصرف می‌کنند.

پژوهشگران احتمال دیگری را نیز مطرح کرده‌اند: شاید در خواب REM نحوه انتقال مواد سوختی از آستروسیت‌ها به نورون‌ها تغییر کند. همچنین ممکن است میتوکندری، یعنی بخش‌های تولیدکننده انرژی درون سلول‌ها، در این مرحله شیوه فعالیت خود را موقتاً تغییر دهند.

هنوز مشخص نیست کدام یک از این توضیحات نقش اصلی را دارد و برای پاسخ قطعی به پژوهش‌های بیشتری نیاز است.

خون بیشتر همیشه به معنای انرژی بیشتر نیست

یکی از مهم‌ترین پیام‌های این مطالعه آن است که افزایش جریان خون مغز به‌تنهایی نمی‌تواند نشان دهد نورون‌ها چه مقدار انرژی قابل‌استفاده در اختیار دارند. در خواب REM، خون بیشتری وارد قشر مغز شد و آستروسیت‌ها نیز پیرووات بیشتری در خود داشتند، اما ATP نورون‌ها افزایش نیافت.

این یافته نشان می‌دهد اقتصاد انرژی مغز بسیار پیچیده‌تر از یک زنجیره ساده «خون بیشتر، سوخت بیشتر، انرژی بیشتر» است. ورود خون، پردازش گلوکز، انتقال سوخت میان سلول‌ها، تولید ATP و مصرف انرژی می‌توانند تا حدی مستقل از یکدیگر تنظیم شوند. مغز ظاهراً منابع خود را متناسب با نیاز‌های لحظه‌ای جابه‌جا می‌کند و الزاماً همه اجزای سیستم انرژی آن به‌صورت هم‌زمان افزایش یا کاهش نمی‌یابند.

چرا مغز با انرژی محدود این‌همه کار انجام می‌دهد؟

این یافته‌ها می‌تواند به یکی از ویژگی‌های شگفت‌انگیز مغز نیز مربوط باشد: توانایی انجام فعالیت‌های بسیار پیچیده با مصرف انرژی نسبتاً محدود. مغز یک فرد بزرگسال تقریباً با توان ۲۰ وات فعالیت می‌کند؛ رقمی قابل مقایسه با مصرف انرژی یک لامپ کم‌مصرف. با وجود این، مغز دائماً در حال پردازش اطلاعات، کنترل حرکات، ذخیره و بازیابی خاطرات، تنظیم احساسات و مدیریت بسیاری از عملکرد‌های حیاتی بدن است.

به نظر می‌رسد مغز برای دستیابی به این بهره‌وری، انرژی را به‌طور یکنواخت میان همه بخش‌ها توزیع نمی‌کند. در عوض، منابع محدود خود را بر اساس نیاز‌های لحظه‌ای بازتخصیص می‌دهد. خواب REM نمونه جالبی از این سازوکار است. در این مرحله، برخی شبکه‌های عصبی ممکن است فعالیت بیشتری داشته باشند و مغز هم‌زمان مسیر انتقال و مصرف انرژی را تغییر دهد تا از این فعالیت‌ها پشتیبانی کند.

آیا رؤیا‌های شدید مغز را خسته می‌کنند؟

یکی از پرسش‌های جذابی که این پژوهش مطرح می‌کند، این است که آیا می‌توان احساس خستگی پس از یک رؤیای بسیار واضح را به فعالیت شدید مغز در خواب REM مرتبط دانست؟

این مطالعه هنوز چنین رابطه مستقیمی را ثابت نکرده است. با این حال، یافته‌های آن نشان می‌دهد خواب REM دوره‌ای کاملاً غیرفعال نیست. در حالی که بدن تقریباً بی‌حرکت است، مغز می‌تواند مشغول پردازش اطلاعات و تنظیم شبکه‌های عصبی باشد و انرژی را با سرعت زیادی مصرف کند.

کاهش ATP در این مرحله نیز می‌تواند نشانه‌ای از همین مصرف بالای انرژی باشد، هرچند هنوز نمی‌توان آن را به‌عنوان دلیل مستقیم احساس خستگی پس از خواب معرفی کرد. اهمیت این پژوهش تنها به رؤیا‌ها محدود نمی‌شود. خواب نقش مهمی در عملکرد طبیعی مغز دارد و دانشمندان سال‌هاست تلاش می‌کنند بفهمند مغز چگونه در این دوره اطلاعات را پردازش می‌کند، خاطرات را تثبیت می‌کند و خود را برای فعالیت‌های روز بعد آماده می‌سازد.

مطالعه جدید نشان می‌دهد برای درک بهتر این فرایندها، نباید فقط به میزان خون یا سوختی که وارد مغز می‌شود توجه کرد. مهم‌تر این است که بدانیم این مواد در سلول‌های مختلف چگونه پردازش می‌شوند، چگونه میان آنها جابه‌جا می‌شوند و با چه سرعتی به انرژی قابل‌استفاده برای نورون‌ها تبدیل می‌شوند.

در نهایت، خواب REM تصویری متفاوت از مفهوم «استراحت» ارائه می‌دهد. ممکن است بدن در خواب آرام و بی‌حرکت باشد، اما مغز همچنان در حال کار، پردازش اطلاعات و مدیریت منابع انرژی است. شاید یکی از راز‌های خواب نیز همین باشد: مغز در سکوت شب، بدون آنکه ما آگاه باشیم، به فعالیت‌های پیچیده خود ادامه می‌دهد و حتی برای تأمین انرژی این فعالیت‌ها، سیستم متابولیکی خود را از نو تنظیم می‌کند.