Исследователи из Университета Тохоку показали, что астроциты — звездообразные глиальные клетки, которые контролируют локальную ионную и метаботропную среду мозга — проявляют кислотную реакцию во время быстрого сна у мышей. Они предполагают, что кислотная реакция может быть основным стимулом для обработки специфической информации и создания пластичности во время сна.
Кроме того, они обнаружили, что реакция REM в астроцитах усиливается в эпилептическом мозге, а это означает, что изучение изменений окружающей среды мозга, связанных с REM-сном, потенциально может быть использовано в качестве биомаркера тяжести эпилептогенеза.
Выводы подробно описаны в журнале Мозг 3 марта 2023 г.
Нейроны, несомненно, отвечают за обработку информации в мозгу. Считалось, что астроциты не являются важным компонентом нейронной информационной цепи. Однако недавние открытия показывают, что состояния разума, такие как сознание, сон, формирование памяти и метапластичность, могут контролироваться действиями астроцитов.
Чтобы понять роль астроцитов в функционировании мозга, флуоресцентные сенсорные белки были генетически экспрессированы в астроцитах мышей. Исследователи имплантировали оптическое волокно в латеральный гипоталамус мышей, часть мозга, жизненно важную для контроля нашего состояния сна или бодрствования и метаболизма всего тела.
По этому волокну пропускали свет возбуждения и регистрировали испускаемые сигналы флуоресценции. Используя недавно разработанный метод, исследователи анализировали концентрацию кальция и pH астроцитов, а также локальные изменения объема крови в мозге по записанным оптическим сигналам.
Наблюдалось четкое изменение оптических сигналов, связанных с БДГ-сном. Произошло снижение содержания кальция, снижение рН (т.е. закисление) и увеличение местного объема мозговой крови. Исследователи определили, что изменение кислотности и объема крови оказывает сильное влияние на оптические сигналы; таким образом, многие из предыдущих исследований с использованием фотометрии волокон могли неправильно интерпретировать записанные данные.
Подкисление было особенно неожиданным, так как внутриклеточный раствор клеток сильно забуферен по рН. Сильное закисление происходит при ишемии, но не предполагалось, что изменения рН происходят в физиологических условиях. Это закисление астроцитов может управлять усилением синаптических сигналов и может лежать в основе формирования памяти во время быстрого сна.
Интересно, что изменения в локальной среде мозга, обнаруженные с помощью оптических записей, предшествовали характерному изменению электрической активности ансамбля нейронов, обнаруженному с помощью электроэнцефалограммы, почти на 20 секунд. Это свидетельствует о том, что астроциты и сосудистые изменения контролируют состояние активности нейронов. Переход к БДГ-сну также можно предсказать по этим локальным изменениям окружающей среды мозга.
«Во время быстрого сна предыдущие переживания сортируются и запоминаются или забываются, и этот процесс, вероятно, воспринимается как сны», — говорит профессор Ко Мацуи из лаборатории суперсетевой физиологии мозга Университета Тохоку, который руководил исследованием. «Закисление астроцитов может контролировать вероятность возникновения пластичности в нейронных цепях».
Далее исследователи изучили, как свойства быстрого сна меняются при эпилепсии. Повторяющийся стимул гиппокампа мыши вызывает гиперактивность мозга, и этот метод «разжигания» использовался в качестве модели эпилептогенеза. После киндинга регистрировали спонтанно возникающие эпизоды быстрого сна. Удивительно, но очень малое снижение астроцитарного кальция и локальное увеличение объема мозговой крови происходило во время быстрого сна, и была зарегистрирована сильная кислотная реакция астроцитов.
«Наше предыдущее исследование показало повышенную кислотную реакцию астроцитов, связанную с усилением эпилептических припадков», — говорит ведущий исследователь доктор Йоко Икома. «Информация передается и обрабатывается с помощью электрических сигналов в нейронах. рН астроцитов может контролировать активность этих нейронов как в физиологии, так и при заболеваниях».
Мониторинг общего pH и локального мозгового кровотока возможен у людей с помощью фМРТ. Икома говорит, что эти локальные изменения окружающей среды мозга, связанные с быстрым сном, потенциально могут быть использованы для диагностики тяжести эпилепсии у пациентов. «Терапевтическая стратегия, предназначенная для контроля pH астроцитов, потенциально может быть использована для предотвращения обострения эпилепсии».
