Может ли человек или другое животное воспользоваться преимуществами сна, не смыкая глаз? Этим вопросом задалась команда американских нейробиологов. Они провели эксперимент на грызунах и выяснили, что «включения и выключения» нейронной активности в коре бодрствующих мышей позволяют вызвать некоторые эффекты, аналогичные тем, которые появляются во время фазы медленного сна. Более того, такой подход помог добиться улучшения памяти. Теперь ученые хотят повторить эксперимент на людях.
Две мыши (по бокам), экспрессирующие усиленный зеленый флуоресцентный белок при ультрафиолетовом освещении / © Wikimedia, Ingrid Moen, Charlotte Jevne, Jian Wang, Karl-Henning Kalland, Martha Chekenya, Lars A Akslen, Linda Sleire, Per Ø Enger, Rolf K Reed, Anne M Øyan and Linda EB Stuhr
Сон нужен не только для отдыха, но еще для восстановления работы мозга, памяти и синаптической перестройки. Во сне мозг не «отключается», 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, которые помогают «удерживать» новую информацию и «закреплять» приобретенный за день опыт.
Когда человек обучается чему-то новому или пытается запомнить важную информацию, мозг не просто «записывает факт» в готовую ячейку, а меняет силу и иногда строение синапсов между нейронами, которые участвуют в этих задачах. Проще говоря, в ходе обучения полезные связи между нужными нейронами могут усиливаться; если связь редко используется, она ослабевает. Так мозг выделяет важное, делает нужные цепочки более «востребованными» и экономит ресурсы.
Во сне мозг «подчищает» и перенастраивает сеть, чтобы важные связи сохранились и работали эффективнее. Процесс, при котором сон помогает поддерживать баланс силы синапсов и не допустить «перенасыщения» нейронной сети называют гипотезой синаптического гомеостаза.
Многие специалисты полагают, что важную роль в поддержании синаптического гомеостаза играет медленный сон, или NREM-сон. Он начинается сразу после засыпания и занимает 75-80 процентов общего времени ночного отдыха. В этой фазе снижается мозговая активность и не наблюдается быстрых движений глаз.
В этот период кора головного мозга демонстрирует характерную активность: большие группы нейронов периодически переходят из активного состояния в почти безмолвное и обратно, иными словами «включаются» и «выключаются». Такие циклы повторяются несколько раз в секунду. Некоторые исследователи считают, что именно эти синхронные переходы играют важную роль в восстановлении мозга после бодрствования и помогают поддерживать нормальную работу нейронных сетей.
Существует гипотеза, что подобного рода механизмы могут встречаться у некоторых других животных. Например, у тех существ, которые демонстрируют признаки однополушарного сна. У дельфинов, уток и морских котиков одно полушарие мозга может находиться в состоянии NREM-сна, тогда как второе продолжает контролировать окружающую обстановку и реагировать на опасность.
Команда американских нейробиологов под руководством Кьяры Чирелли (Chiara Cirelli) из Висконсинского университета в Мадисоне задалась вопросом: можно ли воспроизвести хотя бы часть ключевых функций сна, если искусственно вызвать у бодрствующего мозга те же синхронные переходы активности и покоя нейронов, характерные для NREM-фазы?
Чирелли с коллегами взяли генетически модифицированных мышей и в одно из полушарий мозга вживили двусторонний линейный силиконовый зонд, позволяющий одновременно регистрировать активность нейронов и управлять ею с помощью оптогенетической световой стимуляции. В другое полушария имплантировали зонд, который вел обычную запись — позволял наблюдать работу части мозга в обычном режиме, чтобы было с чем сравнивать.
После этого мышей удерживали в бодрствовании на протяжении пяти часов: им постоянно давали новые объекты для исследования. Чтобы заставить небольшой участок коры работать в «соноподобном режиме», нейробиологи прибегли к двум разным способам.
Схема имплантации зондов в мозг мышей / © Chiara Cirelli
В первом случае активировали тормозные нейроны — это клетки, которые как бы «успокаивают» соседние нейроны и снижают их активность. При световой стимуляции в этом участке мозга возникали ритмичные колебания активности нейронов. Они напоминали медленные электрические колебания ритмов головного мозга (дельта-ритм с частотой колебания 0,5-4 герц), характерные для фазы медленного сна.
Во втором случае возбуждающие нейроны модифицировали так, чтобы их можно было временно «выключать» светом. Когда свет включался, эти нейроны переставали работать, участок мозга снова переходил в состояние резкого снижения активности.
Затем животным позволили уснуть. Записи мозговой активности показали, что стимулированная область коры почти не демонстрировала признаков потребности во сне. Судя по данным эксперимента, этот участок успел выполнить некоторые восстановительные процессы еще во время бодрствования.
Чтобы проверить, влияет ли «соноподобный эффект» на память, команда Чирелли провела второй эксперимент. Исследователи использовали тест на распознавание новой текстуры.
Схема второго эксперимента / © Chiara Cirelli
Сначала мышей поместили в контейнеры, в которых «пол» застелили ковриком с одинаковой текстурой, и выделили им 15 минут на изучение нового пространства, чтобы сформировалось «запоминание». После животных распределяли на три группы: одной дали возможность нормально поспать, вторую лишили сна, а в коре мозга бодрствующих грызунов из третьей группы ученые вызывали соноподобные циклы «включения и выключения» нейронной активности с помощью оптогенетической стимуляции.
На следующий день мышей возвратили в те же контейнеры, но теперь на одной половине пространства лежал коврик с новой текстурой. Обычно эти грызуны проявляют повышенный интерес к новым объектам и незнакомой среде. Поэтому нейробиологи оценивали память животных по тому, сколько времени они проводили на стороне с новым покрытием.
Оказалось, животные, лишенные сна, хуже распознавали изменения и проявляли слабую реакцию на новизну, тогда как грызуны, которые спали, показывали нормальное для них поведение.
Мыши, у которых во время бодрствования искусственно воспроизводили соноподобную активность мозга, вели себя так же, как животные из группы сна: они чаще исследовали участок с новой текстурой. Такое поведение свидетельствует о восстановлении памяти у бодрствующих мышей с искусственной стимуляцией. Уровень этого восстановления оказался сопоставим с показателями у животных, получавших полноценный сон.
Результаты позволяют предположить, что соноподобная активность во время бодрствования может частично воспроизвести эффекты медленного сна и улучшить память.
Следующим шагом станет проверка технологии на людях. Исследователи планируют использовать неинвазивную транскраниальную электрическую стимуляцию. Такой метод не требует хирургического вмешательства и позволяет воздействовать на мозг через поверхность головы. Однако говорить о полной замене сна пока рано.
Современная наука делит время сна у людей на две основные фазы — NREM-сон и REM-сон. В отличие от первой фазы, вторая сопровождается быстрыми движениями глаз. Ученые до сих пор не до конца понимают, почему именно чередование этих состояний обеспечивает полноценное восстановление организма. Новый эксперимент показал, что часть полезных эффектов сна можно воспроизвести искусственно, но сам сон, вероятно, еще долго останется незаменимой потребностью человека.
Научная работа опубликована в журнале Nature Neuroscience.
Комментарии (0)