Исследование на мышах, проведённое специалистами Школы медицины Университета Джонса Хопкинса (Johns Hopkins University School of Medicine), улучшает наше понимание физиологии сна. Одна из ключевых целей сна — «калибровка» клеток головного мозга, отвечающих за обучение и память. Во время сна животные закрепляют полученный опыт и используют его, когда пробуждаются (в случае мышей, ведущих ночной образ жизни, на следующий вечер).
Учёные также сообщают, что обнаружены несколько важных молекул, которые регулируют процесс калибровки, а также новые доказательства того, что лишение сна, нарушения сна и снотворные могут помешать процессу.
«Наши результаты надёжно подтверждают идею о том, что мышиный и, предположительно, человеческий мозг может хранить только ту информацию, которую способен откалибровать, — говорит руководитель исследования доктор Грэм Диринг (Graham Diering). — Без сна и перекалибровки, которая происходит во время сна, воспоминания находятся под угрозой потери».
Есть несколько предположений о том, как информация записывается мозгом и как происходит обучение, но большинство нейрофизиологов предполагает, что информация хранится в синапсах, связях между нейронами, через которые они общаются.
Общение нейронов происходит с помощью сигнальных молекул — нейротрансмиттеров. Выпущенные одной клеткой, они принимаются другой с помощью белков-рецепторов. Получив достаточно информации через синапсы, нейрон выпускает свои собственные нейромедиаторы.
Эксперименты на животных показали, что синапсы принимающего нейрона могут регулироваться путём добавления или удаления белков-рецепторов, что усиливает или ослабляет возможность принимающего нейрона реагировать на послания соседних сигнальных нейронов.
Учёные считают, что воспоминания кодируются с помощью этих синаптических изменений. Но, по словам Диринга, есть трудности в понимании всех происходящих в мозгу процессов. Когда мышь (или другое млекопитающее) бодрствует, синапсы её мозга активны, система стремится к работе с максимальной нагрузкой. Такая работа может привести к тому, что через некоторое время везикулы нейронов опустошаться и не смогут более выделять медиаторы — ситуация, при которой обучение и запоминание станет невозможным.
Предполагается, что для того, чтобы мозг не «перегревался», существует механизм, изученный ранее только на клеточных культурах. Это гомеостатическое ослабление (homeostatic scaling down) — процесс равномерного ослабления синапсов, восстанавливающий возможность обучения и запоминания.
Для того чтобы выяснить, действительно ли такой процесс запускается у спящих млекопитающих, команда Диринга сконцентрировалась на изучении тех участков мозга мыши, которые отвечают за обучение и память: гиппокампа и коры головного мозга. Выделялись белки, получаемые синапсами мышей во время сна и бодрствования, задачей было обнаружение изменений, сходных с теми, что наблюдались в клеточных культурах.
Результаты показали — у спящих мышей, по сравнению с бодрствующими, происходит падение на 20% уровня рецепторного белка, что свидетельствует об общем ослаблении их синапсов.
«Это первое свидетельство гомеостатического ослабления, полученное при изучении живых животных, — говорит ведущий автор исследования Ричард Хуганир (Richard Huganir). — Это говорит о том, что синапсы перестраиваются в головном мозге мыши каждые 12 часов или около того, и это весьма примечательно».
Чтобы узнать, какие именно молекулы ответственны за явление, команда обратилась к известному с 1997 года белку Homer1a. Предыдущие исследования показали, что Homer1a (назван в честь древнегреческого автора и той научной «Одиссеи», которую прошли учёные, выявляя его) имеет большое значение в регуляции режимов сна и бодрствования, а также в процессе гомеостатического ослабления в лабораторных опытах с культурой нейронов.
Обнаружено, что у спящих мышей уровень Homer1a повышен — на 250%. В то же время у изменённых мышей, с выключенным производящим этот белок геном, не происходит уменьшения активности рецепторных белков.
Чтобы разобраться в том, как Homer1a «определяет», когда мыши спят или бодрствуют, исследователи использовали нейромедиатор норадреналин, который приводит мозг в состояние возбуждения и бодрствования. Блокируя или повышая уровень норадреналина в клеточной культуре нейронов и у живых мышей, исследователи подтвердили, что уровень норадреналина определяет, будет ли Homer1a действовать на синапсы.
Чтобы проверить, связана ли активность Homer1a со сном, учёные держали мышей в бодрствовании на протяжении четырёх часов, поместив их в незнакомую клетку. Далее некоторые мыши получили возможность два с половиной часа поспать. Как и предсказывалось, уровень Homer1a в синапсах был значительно выше у лишённых сна мышей. Это означает, поясняет Диринг, что данный белок связан с действительной потребностью животного в сне, а не с его суточными ритмами.
Диринг напоминает, что необходимость сна контролируется аденозином, который накапливается в мозге, когда животное бодрствует, провоцируя сонливость. Известное большинству читателей бодрящее действие кофе происходит из того, что кофеин способен замещать аденозин.
Когда мыши во время депривации сна получали блокирующий аденозин, уровни Homer1a в синапсах не увеличивались.
«Мы считаем, что Homer1a своего рода дорожный регулировщик, — говорит Хуганир. — Он оценивает уровень норадреналина и аденозина, чтобы определить, когда можно снизить активность работы мозга».
Для окончательной проверки гипотезы, согласно которой гомеостатическое ослабление во время сна имеет решающее значение для обучения и запоминания, исследователи протестировали способность мышей к обучению без гомеостатического ослабления. Мыши были помещены в незнакомое пространство, где получили слабый электрический удар. Затем некоторые мыши получали препарат, предотвращающий ослабление синапсов.
Если не получившая такой препарат мышь получала удар током перед сном, впоследствии она чётко показывала, что запомнила опасное место. При размещении в этом же пространстве такие мыши провели значительное время (до 25% времени) в неподвижности, ожидая подвоха. При размещении в другом незнакомом месте, они тоже замирали, но проводили в неподвижности только около 9% времени.
Ожидалось, что у получивших препарат мышей воспоминания будут слабее и поэтому они будут меньше, чем контрольные мыши, замирать в новом пространстве. Но оказалось, что они были неподвижны даже дольше (40% времени), когда вернулись туда, где получили удар. Дольше они оставались неподвижными и в других незнакомых местах (13% времени). Если мышь подвергалась удару после того, как проснулась, противодействующий ослаблению синапсов препарат не влиял на то, как долго мыши замирали, что подтверждает, что данный процесс происходит лишь во время сна.
«Мы считаем, что память об ударе был сильнее у получивших препарат мышей потому, что их синапсы не могли пройти ослабление, и все воспоминания остались одинаково сильными, так что мыши путались и не могли отличить пространства друг от друга, — говорит Диринг. — Это показывает, что «переспать с мыслью» действительно хорошая идея».
«Суть, — говорит исследователь, — заключается в том, что сон — это не время простоя мозга. Это важная часть его работы, и мы обкрадываем себя, пытаясь сократить время сна».
Хуганир отмечает, что сон остаётся большой загадкой для учёных. «В этой работе мы исследовали, что происходит в двух областях мозга во время сна. Есть, вероятно, не менее важные процессы, протекающие в других областях, да и по всему телу, если на то пошло», — добавляет он.
Среди вопросов, которые требуют дальнейшего изучения, то, как способность к обучению и запоминанию страдают от недостатка сна и заболеваний, нарушающих сон. Также возникает вопрос о побочных эффектах некоторых препаратов, которые могут нарушать процесс гомеостатического ослабления.
Материалы исследования опубликованы в журнале Science.
