Ваш череп — прачечная: как сон промывает мозг от токсичных отходов

Упакованный в череп и расположенный на вершине позвоночника, мозг существует в строго контролируемой среде. Он получает только определённые питательные вещества, отфильтрованные через гематоэнцефалический барьер, и окружён системой защитных мембран. Но это привилегированное пространство хранит одну загадку: если попасть в мозг так сложно, то как из него выходит всё лишнее?

Мозг — один из самых "прожорливых" органов тела, его метаболизм невероятно активен. Это значит, что в процессе работы обязательно образуются отходы, которые нужно удалять. В других частях тела рядом с кровеносными сосудами проходят лимфатические, по которым лишние молекулы уносятся к лимфоузлам. Но у мозга такой пары нет: сотни километров сосудов пронизывают ткань, не оставляя очевидного выхода для отходов.

Однако вокруг мозговых сосудов есть свободные пространства, заполненные жидкостью. За последние десятилетия к спинномозговой жидкости (ЦСЖ), циркулирующей в этих зонах, проявляется всё больший интерес. «Может быть, ЦСЖ — это некое шоссе для обмена веществ в мозге», — говорит Стивен Праулкс из Университета Берна, исследующий эту систему.

Новое исследование в журнале Cell описывает процессы, происходящие вокруг мозга и в его скрытых полостях. Команда Маикен Недергаард из Рочестерского университета задала вопрос: может ли медленное "пульсирование" стенок сосудов перемещать жидкость сквозь и между клетками, способствуя дренажу? В экспериментах на мышах учёные ввели светящийся краситель в ЦСЖ, вызвали пульсацию сосудов и увидели, как краситель начал распространяться по мозгу. Они предположили, что движение сосудов действительно способно перемещать жидкость и, возможно, удалять отходы.

Команда пошла дальше: поскольку подобное пульсирование чаще наблюдается во время сна, они предположили, что именно оно делает сон таким освежающим. Но эта гипотеза всё ещё вызывает споры . Многие считают, что истинная функция движения жидкости в мозге пока неизвестна.

В центре мозга находятся заполненные жидкостью полости — желудочки. Из их стенок просачивается ЦСЖ, которая под давлением уходит по направлению к шее и позвоночнику. Учёные уже давно знают, что в момент смерти жидкость начинает течь в обратном направлении — из позвоночника в мозг. Это означает, что живой мозг каким-то образом поддерживает циркуляцию, но как именно — остаётся загадкой.

«Все согласны, что жидкость как-то движется», — говорит Кристер Бетсхольц из Каролинского института. «Около полулитра ЦСЖ вырабатывается каждый день, и ей нужно куда-то деваться. До сих пор нет единого мнения, где она выходит из мозга».

Также остаётся вопрос, уносит ли эта жидкость с собой отходы — и если да, то как именно. Некоторые исследователи уверены, что мелкие молекулы могут диффундировать между клетками и попадать в ЦСЖ, которая уносит их прочь . Это может быть пассивный процесс.

В 2012 году лаборатория Недергаард предложила более активный механизм. Введя метку в ЦСЖ и наблюдая, как она быстро достигает других участков мозга, учёные предположили, что ЦСЖ может проходить через клетки астроциты и попадать в межклеточные пространства, где происходит обмен веществ. Затем жидкость возвращается к сосудам и выводится наружу. Как именно это происходит, до конца непонятно.

Позже, в 2013 году, они связали эти процессы со сном: движение ЦСЖ у спящих и анестезированных мышей оказалось заметно интенсивнее, чем у бодрствующих. Может быть, именно во сне мозг "промывается" — это и есть эффект "освежающего сна", о котором часто пишут.

«Я убеждена, что главное в сне — не консолидация памяти», — говорит Недергаард. «Может быть, и она тоже, но основная функция сна — это уборка».

С тех пор теория «глимфатической системы» — как её назвали — приобрела широкую популярность. Но не все исследователи согласны с ней. Некоторые, например Алан Веркман , указывают, что предполагаемые каналы недостаточно велики, чтобы выполнять заявленные функции. Бетсхольц добавляет: нет доказательств, что жидкость заходит в те пространства, откуда она якобы вытекает.

Тем не менее, гипотеза удобна: она объясняет то, что раньше казалось неразрешимой загадкой. Даже если Дональд Макдональд из UCSF не считает её убедительной, он признаёт, что идея заполнила пустоту.

Но изучение ЦСЖ сталкивается с проблемой: чтобы понять, как ведёт себя жидкость, приходится буквально "продырявить бутылку", нарушая систему. Как говорит Лаура Льюис из MIT: «Физику жидкости легко нарушить, а дыхание и сердцебиение напрямую влияют на её движение».

В новом исследовании команды Недергаард учёные вживили мышам датчики и трубки, чтобы отслеживать движение жидкости во сне. Они заметили, что во время фазы медленного сна (NREM) метка двигалась ритмично — как волна. Это натолкнуло их на мысль о роли нейромедиатора норадреналина, который регулирует сужение сосудов.

Они выяснили, что когда норадреналина больше, увеличивается и объём ЦСЖ в мозге. Чтобы проверить, могут ли сосуды сами по себе "качать" жидкость, учёные изменили частоту их сжатия: вместо 50 секунд — каждые 10. В результате на одном участке мозга поток жидкости усилился. В других зонах всё осталось прежним.

Недергаард уверена: всё сходится — и движение сосудов, и влияние норадреналина, и циркуляция жидкости во сне. «Мы долго искали, почему глимфатическая система активнее во сне. Теперь мы, кажется, нашли её "мотор"».

Однако критики считают, что вопросов всё ещё больше, чем ответов. Макдональд указывает: не всегда ясно, где данные, а где интерпретации. Праулкс сомневается, что метка действительно двигалась под давлением — возможно, она просто диффундировала.

Всё это обсуждается особенно остро, потому что сейчас гипотеза Недергаард — главная в этой области. Но не все понимают под "глимфатикой" одно и то же. Кто-то — систему вывода отходов, кто-то — конкретный механизм.

«Очевидно, что у мозга должен быть способ очищения. Как он работает — это интереснейший вопрос», — говорит Льюис. А Хогланд, которая сейчас работает в Оксфорде, признаёт: «Мы пока не до конца всё понимаем. Но чем больше людей будет этим заниматься — неважно, с какой гипотезой, — тем быстрее мы продвинемся вперёд».

«Результаты есть, и они что-то показывают о биологии», — говорит она. «Но мы пока задаём вопросы вслепую. Потому что не видим всей картины».

«Никто не знает точно, как мозг избавляется от отходов», — добавляет Праулкс. «Кто-то думает, что знает. Но я считаю — мы не знаем».