Ученые выяснили, как у мышей обойти потребность во сне

Новости МирТесен

Сможет ли человек или другое животное получить пользу от состояния, похожего на сон, без закрытия глаз? Этот вопрос интересовал группу американских нейробиологов. В ходе исследования, проведенного на грызунах, было установлено, что имитация «включения и выключения» нейронной активности в коре головного мозга бодрствующих мышей способна спровоцировать некоторые эффекты, свойственные фазе медленного сна. Кроме того, подобный метод позволил улучшить запоминание. В настоящее время ученые планируют повторить эксперимент с участием людей.

Сон нужен не только для отдыха, но еще для восстановления работы мозга, консолидации памяти и синаптической реорганизации. Во время сна мозг не «выключается», а переходит в особый, крайне активный режим работы. Он продолжает функционировать, выполняя критически важные задачи, которые сложно осуществить во время бодрствования.

В течение дня в мозге активно образуются новые синапсы — места контакта между нейронами или между нейроном и получающей сигнал эффекторной клеткой, они способствуют сохранению свежих знаний и консолидации опыта, полученного в течение дня.

При освоении новых знаний или запоминании значимой информации мозг не фиксирует сведения как готовый результат, а трансформирует характеристики и, в некоторых случаях, структуру связей между нейронами, вовлеченными в этот процесс. Иными словами, в результате обучения полезные отношения между необходимыми нейронами становятся крепче, тогда как неактивные связи теряют свою силу. Таким образом, мозг определяет приоритетные данные, укрепляет важные последовательности и оптимизирует использование ресурсов.

Во сне мозг «подчищает» и перенастраивает сеть, для того, чтобы значимые соединения не были утрачены и функционировали продуктивнее. Этот процесс, посредством которого сон способствует поддержанию равновесия силы синаптических связей и предотвращает «перегрузку» нейронной сети, называется гипотезой синаптического гомеостаза.

Многие специалисты полагают, к поддержанию синаптического гомеостаза важную роль играет медленный сон, также известный как NREM-сон. Эта фаза сна наступает сразу после засыпания и длится 75-80% от общего времени ночного сна. Во время медленного сна наблюдается снижение мозговой активности и отсутствие быстрых движений глаз.

На данном этапе развития кора головного мозга проявляет специфическую активность: значительные скопления нейронов попеременно переходят из состояния возбуждения в состояние покоя и обратно, то есть «активируются» и «деактивируются». Данные циклы повторяются с частотой до нескольких раз в секунду. Некоторые исследователи считают, именно эти синхронизированные переходы имеют ключевое значение для восстановления мозга после периода активности и способствуют поддержанию эффективной работы нейронных связей.

Предполагается, что аналогичные механизмы могут быть свойственны и другим животным, в частности, тем, кто проявляет признаки однополушарного сна. Так, у дельфинов, уток и морских котиков одно полушарие мозга может войти в фазу медленного сна (NREM), в то время как другое продолжает осуществлять контроль над окружающей средой и реагировать на потенциальные угрозы.

Команда нейробиологов из США во главе с Кьярой Чирелли ( Chiara Cirelli) ученые из Висконсинского университета в Мадисоне исследовали, возможно ли имитировать некоторые из основных функций сна, стимулируя активность и периоды покоя нейронов в бодрствующем мозге таким образом, чтобы воспроизвести паттерны, свойственные NREM-фазе?

Чирелли и его соавторы использовали генетически модифицированных мышей. В одно из полушарий мозга им был имплантирован двусторонний линейный силиконовый зонд, который обеспечивал одновременную регистрацию активности нейронов и возможность ее управления посредством оптогенетической световой стимуляции. В другое полушарие был помещен зонд для стандартной записи, что позволяло сравнивать работу мозга в нормальных условиях.

Затем мышей поддерживали в состоянии бодрствования в течение пяти часов, предоставляя им непрерывный поток новых объектов для изучения. Для активации небольшого участка коры головного мозга в режиме, напоминающем сон, нейробиологи использовали два различных подхода.

Сначала стимулировали тормозные нейроны – клетки, выполняющие функцию «успокоения» соседних нейронов и подавления их активности. Под воздействием света в этой области мозга возникали ритмичные изменения активности нейронов. Эти изменения были схожи с медленными электрическими колебаниями, свойственными головному мозгу (дельта-ритм с частотой 0,5-4 герц), и характерными для фазы медленного сна.

В другом эксперименте возбуждающие нейроны были изменены, чтобы обеспечить возможность их кратковременной деактивации с помощью света. При воздействии света эти нейроны прекращали свою функцию, и активность соответствующего участка мозга снова снижалась.

После этого животным предоставили возможность заснуть. Анализ активности мозга выявил, что в стимулированной области коры практически не наблюдалось признаков, указывающих на необходимость сна. Результаты эксперимента позволяют предположить, что данный участок мозга завершил часть восстановительных процедур уже в период бодрствования.

Для оценки воздействия «соноподобного эффекта» на память, группа Чирелли осуществила дополнительное исследование. В рамках эксперимента ученые применяли тест, предназначенный для определения способности к распознаванию новых текстур.

Прежде чем начать эксперимент, мышей поместили в контейнеры с полами, покрытыми ковриками с однородной текстурой. Им было предоставлено 15 минут для ознакомления с новым пространством, чтобы обеспечить формирование памяти. Затем животные были разделены на три группы: одна группа получила возможность полноценного сна, вторую группу лишили сна, а у бодрствующих грызунов из третьей группы ученые, используя оптогенетическую стимуляцию, искусственно вызывали соноподобные циклы изменения нейронной активности.

На следующий день мышей поместили обратно в исходные контейнеры, однако теперь одна из половин пространства была устлана ковриком с измененной текстурой. Как правило, эти животные демонстрируют значительный интерес к новым предметам и непривычной обстановке. В связи с этим, нейробиологи определяли объем памяти у испытуемых, фиксируя продолжительность их пребывания на участке с новым покрытием.

Лишение сна негативно сказалось на способности животных замечать изменения, они демонстрировали сниженную реакцию на новые стимулы, в то время как грызуны, получавшие достаточный сон, вели себя как обычно.

Искусственное создание активности мозга, имитирующей сон, у мышей во время бодрствования приводило к изменению их поведения: животные чаще проявляли интерес к новым текстурам. Это указывает на то, что у мышей, подвергшихся стимуляции, восстанавливалась память. Степень восстановления оказалась схожей с показателями у особей, получавших полноценный сон.

Полученные данные указывают на то, что соноподобная активность в состоянии бодрствования способна имитировать некоторые характеристики глубокого сна и оказывать положительное влияние на процессы запоминания.

В дальнейшем планируется тестирование технологии на людях. Ученые намерены применить неинвазивную транскраниальную электрическую стимуляцию. Этот подход не предполагает хирургического вмешательства и позволяет оказывать влияние на мозг через кожу головы. Тем не менее, перспективы полной замены сна с его помощью пока оценить сложно.

В настоящее время научное сообщество выделяет две ключевые фазы сна у человека: NREM-сон и REM-сон. Вторая фаза характеризуется быстрым движением глаз, в то время как первая протекает иначе. Механизмы, благодаря которым чередование этих фаз обеспечивает полное восстановление организма, до сих пор остаются предметом изучения. Недавние исследования продемонстрировали, что некоторые полезные эффекты сна могут быть воссозданы искусственным путем, однако, вероятно, сон и впредь будет оставаться необходимой потребностью для человека.

Научная работа опубликована в журнале Nature Neuroscience.