Un nou studiu dezvăluie cum interacționează activitatea cerebrală, consumul de energie și fluxul sanguin în timpul somnului non-REM

Un studiu realizat de specialiștii Mass General Brigham pe 26 de participanți și publicat în 2025 în Nature Communications a integrat simultan tehnici de imagistică funcțională PET, RMN și EEG pentru a investiga modul în care dinamica hemodinamică și metabolică a creierului se modifică pe parcursul tranziției dintre starea de veghe și somnul non-REM (NREM). Cercetarea reprezintă una dintre primele analize multimodale capabile să surprindă în timp real interacțiunile dintre activitatea neuronală, fluxul sanguin cerebral și consumul de glucoză în timpul somnului.
Somnul NREM este o stare activă, profund restaurativă, caracterizată prin oscilații neuronale lente, modificări hemodinamice majore și scăderea globală a metabolismului cerebral. În timpul acestei faze, dinamica fluidului cefalorahidian (LCR) facilitează eliminarea deșeurilor metabolice, un proces considerat esențial pentru sănătatea neuronală și prevenirea neurodegenerării. Totuși, nu era clar până acum cum sunt coordonate în timp și spațiu aceste procese metabolice și hemodinamice și cum contribuie ele la menținerea echilibrului dintre „curățarea” cerebrală și capacitatea de trezire senzorială.

Progresele recente în imagistica PET funcțională cu [¹⁸F]Fluorodeoxyglucoză (fPET-FDG) permit măsurarea dinamică a absorbției glucozei la scări temporale de ordinul minutelor. Prin combinarea acestei tehnici cu RMN funcțional (RMNf) și EEG, cercetătorii pot urmări corelațiile în timp real dintre activitatea neuronală, fluxul sanguin și metabolism, oferind o perspectivă integrată asupra fiziologiei somnului.

Despre studiu

Cercetătorii au folosit o platformă integrată EEG–RMNf–fPET-FDG pentru a examina modificările dinamice ale glucozei, semnalelor hemodinamice și activității electrice la 21 de participanți care au adormit natural în timpul scanării. Alți 5 participanți au furnizat date comportamentale suplimentare pentru calibrarea modelelor.

• Protocolul PET-FDG a implicat perfuzia constantă a trasorului, permițând evaluarea continuă a variațiilor minute în absorbția glucozei.
• EEG-ul a fost utilizat pentru determinarea nivelului de „excitare” (gradul de vigilență), prin raportul activității alfa (7–13 Hz) la activitatea delta-teta (1–7 Hz).
• RMN-ul funcțional (RMNf) a permis măsurarea oscilațiilor hemodinamice lente (0,01–0,1 Hz), corelate cu modificările neuronale și autonome.

Analiza a combinat datele temporale ale acestor trei metode, modelând un „indice cvazimetabolic” (BOLD-AV-TAC) care descrie legătura dintre fluctuațiile hemodinamice de ordinul secundelor și modificările metabolice de ordinul minutelor.

Rezultate

Corelarea temporală dintre hemodinamică și metabolism

În timpul somnului NREM, amplitudinea oscilațiilor RMNf a crescut semnificativ, în timp ce absorbția de glucoză măsurată prin fPET-FDG a scăzut. Analiza de corelație încrucișată a arătat o cuplare temporală strânsă între scăderea metabolismului și creșterea oscilațiilor hemodinamice (coeficient Spearman negativ semnificativ, p < 10⁻¹⁴). Acest fenomen sugerează o coordonare neuronală, vasculară și metabolică sincronizată cu fluctuațiile stării de veghe.

Distribuția spațială a modificărilor cerebrale

Analiza spațială a arătat două tipare distincte:

• Rețelele senzoriale (vizuală, auditivă, motorie) au prezentat oscilații hemodinamice ample (~0,02 Hz) și o menținere parțială a activității metabolice.
• Rețeaua mod implicit (default mode network) – incluzând cortexul prefrontal și cingulatul posterior – a manifestat scăderi metabolice marcate și oscilații hemodinamice reduse.

Anti-corelația spațială dintre aceste două rețele (r = −0,41, p = 5,7 × 10⁻¹⁴) indică o redistribuire a energiei cerebrale în timpul somnului: rețelele senzoriale rămân parțial active, permițând receptivitatea la stimuli externi, în timp ce rețelele asociate cogniției superioare sunt inhibate.

Cuplarea dintre activitatea EEG și metabolism

Nivelul de arousal derivat din EEG a fost strâns corelat cu modificările hemodinamice și metabolice, cu un decalaj temporal de aproximativ 3 minute între oscilațiile EEG și scăderea absorbției de glucoză. Zonele cele mai sensibile la scăderea arousalului au fost cortexul cingulat anterior, prefrontalul și cingulatul posterior, regiuni implicate în conștiință și reglarea stării de veghe.

Etapele somnului NREM și dinamica rețelelor

În fazele superficiale (N1–N2), oscilațiile hemodinamice au fost maxime, în timp ce în somnul profund (N3) acestea s-au redus, concomitent cu o scădere continuă a metabolismului. Această evoluție sugerează o relație de tip „U inversat” între intensitatea oscilațiilor vasculare și nivelul metabolic, reflectând tranziția către stări mai profunde de somn și scăderea sensibilității senzoriale.

Interpretare

Rezultatele evidențiază un model bidimensional al dinamicii cerebrale în somnul NREM:

• Un „mod senzorial” activ, caracterizat prin oscilații vasculare lente (~0,02 Hz), metabolism relativ ridicat și capacitate de reacție la stimuli externi;
• Un „mod cognitiv” inhibat, asociat rețelei mod implicit, cu scăderi semnificative ale metabolismului și activității neuronale spontane.

Această organizare ar putea explica modul în care creierul păstrează capacitatea de trezire în timpul somnului, fără a compromite procesele de restaurare metabolică și clearance de deșeuri neuronale. În special, cuplarea dintre metabolismul scăzut și fluxul crescut de LCR sugerează un mecanism fiziologic de echilibrare între producerea și eliminarea deșeurilor metabolice, esențial în prevenirea acumulării de amiloid și tau.

Concluzii

Studiul demonstrează că tranziția spre somnul NREM implică o coordonare complexă între oscilațiile hemodinamice, activitatea neuronală și metabolismul glucozei. Două rețele cerebrale cu comportament distinct – una senzorială, activă și oscilantă, și una cognitivă, metabolic inhibată – definesc peisajul funcțional al somnului. Această descoperire oferă o nouă perspectivă asupra mecanismelor prin care creierul menține echilibrul între restaurare internă și capacitatea de reacție la mediu în timpul somnului.

În plus, metoda integrată EEG–RMNf–fPET deschide calea pentru studii viitoare care să investigheze interacțiunea temporală a metabolismului, vascularizației și activității neuronale în tulburările de somn, neurodegenerare și conștiință.