Сотрудники Научно-исследовательского института молекулярной патологии в Вене изучили фундаментальные аспекты сна на примере круглых червей.
Используя передовые технологии, они поставили на контроль активность всех нервных клеток мозга в тот момент, когда круглые черви засыпали и просыпались. Журнал Science опубликовал эти по-настоящему прорывные результаты.
Сон – это универсальная черта, присутствующая у всех животных. Нервная система каждого организма регулярно требует состояние релаксации, во время которого активность мозга резко изменяется. То, что сон жизненно необходим нам в повседневной жизни – неоспоримый факт, но учёные до сих пор пытаются понять, почему.
Команда нейробиологов, которую возглавил Мануэль Циммер (Manuel Zimmer), использовала круглого червя C. elegans для детального изучения того, как мозг переключается между бодрствованием и сном. И полученные результаты свидетельствуют о том, что для уставшего животного сон представляет собой основное состояние мозга, которое спонтанно устанавливается, когда из окружающей среды перестают поступать сильные внешние раздражители. Мануэль Циммер сравнивает такое состояние с затаскиванием валуна на холм; чтобы его толкать в гору, требуются некоторые усилия, но как только воздействие прекратится, он покатится вниз сам по себе.
Так же и с червем. Если он не выспался, то любые попытки его разбудить приведут к тому, что тот опять уснёт.
«Учёные, которые занимаются сложными динамическими системами, даже используют для для таких процессов специальный термин – «аттрактор». Мы предполагаем, что этот механизм аттрактора выступает в качестве эффективного средства как общих состояний, таких как, например, сон и бодрствование, и может «разливаться» по всему мозгу», — говорит Циммер.
Черви в качестве моделей. Для исследования сна
С. elegans выбрали модельным животным, потому что его нервная система состоит всего из 302 нейронов. Такое число под силу исследовать современными способами микроскопии, позволяющими получать доступ к активности всех нервных клеток в головном мозге с точностью до одной клетки.
Но учёные столкнулись с проблемой: как контролировать то, когда черви засыпают и просыпаются? Аспиранты Анника Николс (Annika Nichols) и Томаш Айхлер (Tomáš Eichler) создали специальные экспериментальные системы, которые использовали переменную концентрацию кислорода в качестве переключателя.
Дело в том, что в естественной среде обитания С. elegans живут в почве, где в изобилии живут микроорганизмы, сохраняющие низкий уровень кислорода. Исследователи показали, что при указанных предпочтительных условиях черви чувствовали себя комфортно и могли заснуть при условии, что они уставали. Николс и Айхлер обнаружили, что свежий воздух с атмосферным содержанием кислорода (21-22 процента) заставлял животных быстро просыпаться.
«Это помогло нам добиться эффективного контроля над переключением между сном и бодрствованием во время наших экспериментов», — говорит Николс.
Нейронная шкала усталости
Николс пошла ещё дальше и записала активность всех нейронов головного мозга во время запуска «переключателя» между сном и бодрствованием. Она обнаружила, что во время сна большинство нервных клеток, которые активны во время бодрствования, затихает (что, собственно, неудивительно). Тем не менее, несколько определённых типов нервных клеток остаётся «начеку».
Один из этих типов, RIS, вырабатывает гамма-аминомасляную кислоту – основное мозговое «снотворное». Николс показала, что активность ГАМК-нейронов уже повышена у животных, которые склонны ко сну, заметив, что она она может стать мерой того, насколько мозг «устал».
Во время мониторинга активности спящего мозга компьютерный анализ продемонстрировал, что нейрональные сети спонтанно синхронизировались на «тихое» и стабильное состояние. Изначально исследователи предполагали, что клетки RIS действуют подобно дирижеру, который заглушает оркестр после финального аккорда. Однако новые данные свидетельствуют о том, что они, кажется, выступают посредником, который «ведёт переговоры» по соглашению между всеми «игроками» с последующим коллективным действием. Преимущество этого сценария состоит в том, что изменения между бодрствованием и сном могут провоцироваться даже лёгким регулированием некоторых функциональных «ползунков» мозга.
Несмотря на множество различий между мозгом аскарид и человека эти результаты – весьма перспективная модель для дальнейшего изучения фундаментальных принципов организации мозга.
Текст: Анна Хоружая