Исследование показало, что сон нужен не только для мозга

Спящая медуза

Одно из существ у которого нет мозга, показанное спящим — перевернутая медуза, пульсирует своим колоколом медленнее ночью, чем днем.

Погрузитесь в заросли водорослей у побережья Южной Калифорнии и посмотрите на оранжевых губок (Tethya californiana) — существ, похожих на миниатюрные тыквы, используемые для пирогов. Исследователи не обращали на них особого внимания до 2017 года, когда Уильям Джойнер, нейробиолог из Калифорнийского университета в Сан-Диего, решил выяснить, находятся ли морские губки в состоянии покоя.

Это не такой глупый вопрос, как кажется. Последние несколько лет исследования червей, медуз и гидр поставили под сомнение давнюю идею о том, что сон присущ только существам с мозгом. “Настоящее открытие — это найти спящее животное, у которого вообще нет нейронов”, — говорит Дэвид Райзен, невролог из Медицинской школы Перельмана Университета Пенсильвании (UPenn). Морские губки, одни из первых живых существ, появившихся на Земле, подходят под это описание. Уловление сновидения у простейших организмов может перевернуть определение сна исследователями и их понимание его цели.

Ученые часто определяют сон как временную потерю сознания, организованную мозгом и в интересах его самого. Это делает изучение сна спорным для существ с отсутствующим мозгом. “Я не верю, что многие из этих организмов спят — по крайней мере, так, как это делаем мы с вами”, — говорит Джон Хогенеш, генетический биолог из Медицинского центра Детской больницы Цинциннати. Для него более приемлемо называть спокойное, безответное состояние, наблюдаемое у медуз и гидр, «похожим на сон».

Почему мы спим?

Но другие эксперты в этой области настаивают на гораздо более всеобъемлющей точке зрения: сон появился не у современных позвоночных, как считалось ранее, а, возможно, полмиллиарда лет назад, когда появились первые животные. «Я думаю, что если он жив, то он спит», — говорит Пол Шоу, нейробиолог из Вашингтонского университета в Сент-Луисе. Он предполагает, что самые ранние формы жизни не реагировали, пока не выработали способы реагирования на окружающую среду, а сон — это возвращение в состояние по умолчанию. «Я думаю, что мы развили не сон, а бодрствование».

Если это так, то сон у людей, грызунов и других позвоночных — это высокоразвитое поведение, адаптированное к потребностям и образу жизни каждого организма. Может быть трудно получить представление о его основной функции у этих видов. Более ранние эволюционирующие существа с меньшим количеством типов клеток, менее сложными молекулярными путями и более простым поведением могут проявлять состояние сна в его самой фундаментальной форме.

Поэтому некоторые исследователи сна обратились к беспозвоночным, таким как плодовые мушки и круглые черви, а в последнее время к морским губкам и другой ранней группе, плакозоям. Их работа уже привела к двум ключевым новым открытиям: преимущества сна простираются далеко за пределы мозга, и что мышцы, иммунная система и кишечник могут влиять на то, когда и как происходит сон. Эта работа может сместить наше внимание с изучения роли сна в сложных когнитивных процессах на то, как он влияет на основные клеточные функции, — говорит Алекс Кин, нейрогенетик из Техасского университета A&M, Колледж Стейшн.

Новая картина того, что контролирует сон, также может привести исследователей к новым методам лечения нарушений сна, говорит Амит Сегал, нейробиолог из Института хронобиологии и сна UPenn. «Мы надеемся, что то, что мы узнаем, будет иметь отношение к пониманию того, почему некоторые люди не могут спать и как нарушенный сон может повлиять на их здоровье и работоспособность».

Ранние исследования сна определяли его тем, как он меняет поведение человека: мы ложимся, закрываем глаза, остаемся неподвижными и забываем о внешнем мире. Последствия пропуска сна также очевидны: мы теряем способность функционировать, с трудом сосредотачиваемся или засыпаем за рулем.

К 1950-м и 60-м годам исследователи пришли к определению сна, основанному на полисомнографии, комбинированном измерении активности мозга, движения глаз и мышечного тонуса, которое стало золотым стандартом. Нейробиологи выяснили, как фиксировать активность мозга с помощью электродов на поверхности головы, и обнаружили, что сон человека состоит из двух основных стадий: быстрого движения глаз (БДГ или фаза быстрого сна), более активной стадии, во время которой происходит сновидение и фаза медленного сна, определяемая медленными синхронными волнами электрического разряда.

Поведенческие и физиологические тесты показали, насколько разнообразным может быть сон в животном мире. Коровы и другие крупные пастбищные млекопитающие спят стоя. Некоторые морские млекопитающие спят во время плавания, а некоторые морские птицы дремлют во время полета, позволяя одной половине мозга дремать, в то время как другая продолжает работать. Летучие мыши спят около 20 часов в сутки. Большинство животных, изученных с помощью методов полисомнографии, имеют по крайней мере две стадии сна, хотя активность мозга, характеризующая эти стадии, может варьироваться. Изменение цвета осьминога во время сна говорит о том, что у него также есть несколько стадий сна.

Признаки сна

Широко исследуя поведение, характеризующее сон у людей и других организмов, исследователи обнаружили, что большинство животных, даже очень простых, могут находятся в спокойном состоянии. Насколько хорошо каждое существо удовлетворяет этим критериям, остается спорным, но эта работа расширяет наше понимание роли и контроля сна даже у людей.

Многие существа, от губок до рыб и людей, проявляют различные признаки сна.

На рубеже 21 века доказательства того, что млекопитающие спят, побудили исследователей начать работу над древом жизни животных вплоть до эволюционно более старых видов. Им пришлось столкнуться с вопросом о том, как определить сон у этих более простых видов. Ведь спящая медуза очень похожа на бодрствующую, и оснастить ее электродами практически невозможно. Вместо этого исследователи должны определить, где и когда простые существа ищут передышки, и найти поведение, которое прекращается, когда они спят. Исследователи также должны и иным образом беспокоить животных, чтобы убедиться, что они не реагируют, и посмотреть, имеет ли необходимость бодрствовать последствия.

В 2017 году Майкл Абрамс и два других аспиранта Калифорнийского технологического института разработали такие тесты для Кассиопеи, известной как перевернутая медуза, потому что она имеет тенденцию плавать вблизи мелководного морского дна, пульсируя вверх своими щупальцами, чтобы позволить большему количеству света достигать фотосинтетиков — микроорганизмов, необходимых медузе для получение энергии. Это движение замедлилось ночью с 60 до 39 импульсов в минуту.

Чтобы проверить, действительно ли медузы спят, они соорудили в аквариуме ложное дно и опустили его, по сути, «вытаскивая коврик» из-под исследуемых существ. Ночью неуклюжая медуза отреагировала и поплыла к новому дну медленнее, чем днем. И когда команда потревожила медуз пульсирующими струями воды над ними, на следующий день животные были менее активны — как будто им нужно было оправиться от потери сна. Наконец, мелатонин, безрецептурное снотворное, замедлил их сердечный ритм до ночной скорости. И все это без настоящего мозга: у медуз есть кольцо скоплений нервных клеток по краю колокольчиков.

Недавно исследователи поймали еще одно дремлющее существо не обремененное мозгом: гидру обыкновенную, многолетнюю пресноводную родственницу медузы. Тайчи Ито, хронобиолог из Университета Кюсю, и его коллеги сфотографировали этих животных длиной в сантиметр, шевелящих щупальцами в течение 12-часовых периодов света и темноты в лаборатории. В темноте гидра была менее активна. Другие исследователи, исследующие сон у более простых животных, также приняли определения, основанные на изменениях в поведении, таких как снижение чувствительности.

Однако в последнее время некоторые выступают за переход к молекулярным критериям, таким как наличие в организме генов, которые являются частью путей, способствующих сну у млекопитающих и других видов, которые, как известно, спят. Например, в прошлом году команда Ито сообщила, что более 200 генов изменили свою активность у лишенных сна гидр. Они отметили, что некоторые из этих генов связаны со сном у плодовых мушек.

“Мы переходим от поведенческого или физиологического определения к клеточному и молекулярному определению”, — говорит Филип Моррен, нейробиолог из Стэнфордского университета. По мере того как мы все больше и больше определяем, что такое сон, у нас будет представление о его функциях.

Без сомнения, сон приносит пользу мозгу существ, у которых он есть. Это помогает мозгу закреплять воспоминания и выводить токсичные продукты метаболизма. Это также может помочь мозгу оставаться пластичным, сокращая и укрепляя связи между нервными клетками.

Но если животные без мозга нуждаются во сне, то дело не в этих функциях, говорит Амит Сегал. Учитывая, что сон так широко распространен в эволюционном процессе, он, вероятно, выполняет фундаментальную функцию поддержания основных физиологических процессов.

Некоторые недавние данные, полученные от живых существ без мозга, свидетельствуют о том, что сон влияет на энергетический баланс и обмен веществ. Команда Райзена обнаружила, что хорошо изученный круглый червь Caenorhabditis elegans дремлет только при высоких метаболических потребностях. Личинки активны в течение 1 или 2 часов, когда они линяют и заменяют свой экзоскелет, или когда чрезмерное тепло или ультрафиолетовый свет вызывают стресс. Фермент, называемый солевой киназой, обеспечивает прямую связь между сном и обменом веществ. Известно, что он помогает регулировать сон у млекопитающих, а также мобилизует запасы жира у C.elegans для повышения уровня энергии у червя. В нематоде команда Ито также обнаружила ген, который регулирует обмен веществ и влияет на сон.

Danionella translucida

Самцы Danionella translucida оптически прозрачны на протяжении всей своей жизни и обладают самым маленьким из известных позвоночных мозгом.

Исследования депривации также указывают на метаболическую роль сна. Сегал обнаружил, что плодовые мушки, несущие мутацию, которая сокращает время сна, менее способны усваивать азот, что означает, что у них могут возникнуть проблемы с расщеплением и восстановлением белков и переработкой отходов метаболизма. В результате образуются молекулы, называемые полиаминами, которые могут повреждать ДНК и РНК, сообщила команда Амита Сегал 2 октября на bioRxiv. Когда мы недостаточно спим, это влияет не только на мозг, — говорит он.

Лишение сна также влияет на кишечник плодовых мух и мышей, приводя к накоплению вредных молекул, известных как активные формы кислорода, сообщил биолог Гарвардской медицинской школы Драган Рогул и его коллеги в прошлом году в журнале Cell. Команда обнаружила, что каким-то образом это накопление приводит к ранней смерти у обоих видов. Рогуля подозревает, что кишечник, один из первых органов, эволюционировавших у многоклеточных животных, был одним из первых бенефициаров сна, и что многие дополнительные роли сна эволюционировали по мере усложнения животных.

Однако для того, чтобы понять суть того, почему животные спят, необходимо изучить это у видов настолько простых, что у них даже нет кишечника. Райзен решил взглянуть на плакозои — круглых, плоских, полупрозрачных существ размером не больше кунжутного семени, всего с двумя слоями клеток, каждый из которых имеет ресничкообразные выступы, называемые ресничками. У плакозоев отсутствуют нервные клетки. Их клетки общаются посредством химических выделений, которые контролируют движение ресничек. Помимо паразитов, которые живут прикрепленными к другим формам жизни, плакозои являются простейшими организмами на земле, — говорит Кэролайн Смит, нейробиолог из Национального института неврологических расстройств и инсульта, которая изучала их более 10 лет.

Плакозои используют свои реснички, чтобы беспорядочно ползать по камням на линии прилива, пока не найдут микроводоросли. Они замедляются ночью, говорит Бернд Шируотер, эволюционный биолог из Ганноверского университета ветеринарной медицины. Он считает, что замедление представляет собой первый эволюционный шаг ко сну — получение ритма отдыха, чтобы восстановить силы для следующего цикла кормления. По его словам, это может быть достаточной передышкой для животного, которому не хватает энергоемких нервных клеток.

Смит считал идею спящего плакозоя глупой до тех пор, пока исследования медуз и гидр не убедили его, что сон предназначен не только для разумных существ. Время от времени плакозои вращаются на месте, что, как подозревает Смит, также может быть своего рода сном. Поскольку эти существа сжимаются при воздействии ультрафиолетового света, можно проверить, перестают ли они реагировать на ультрафиолетовый свет в этом состоянии. Он предоставил Райзену несколько живых плакозой для этих испытаний. Но последний не мог держать долго их живыми в лаборатории — они очень избирательны в еде.

У Джойнера  были похожие проблемы с морскими губками. Он и его коллега, морской биолог Грег Роуз из Института океанографии Скриппса, ухаживали за чувствительными существами, которым требуется постоянный приток свежей морской воды с микроорганизмами, которыми они питаются. Джойнер каждый день останавливался у океана, чтобы набрать морской воды. Исследователи поместили исследуемых существ в инкубатор для контроля уровня освещенности и температуры. Затем установили цифровую камеру над ваннами, чтобы наблюдать за тонкими сокращениями в телах морских губок, когда они прокачивали воду через свои камеры, чтобы отфильтровать пищу.

В конце концов, с помощью магнитных мешалок в ваннах им удалось сохранить организмы настолько здоровыми, что они начали сжиматься — примерно раз в 3 часа. Это было захватывающе, говорит Джойнер, потому что дало исследователям надежные модели поведения, которые они могли отслеживать на предмет изменений, связанных со сном.

Исследования на других типах губок показали, что у животных есть циклы отдыха, которые могут позволить им реорганизовать и омолодить свои клетки после откачки в 1000 раз большего ежедневного объема воды. Морские биологи Сэнди Дегнан и Бернард Дегнан из Университета Квинсленда, Сент-Люсия, увидели намеки на циркадные ритмы Амфимедона квинслендика, найденные на Большом Барьерном рифе. И после секвенирования его генома, сообщили, что несколько генов, связанных с циркадным ритмом в других организмах, включаются и выключаются в 24-часовых циклах. Морские губки перестают качаться в течение дня, как будто они работают посменно. Это может быть поведение, которое можно сравнить со сном.

В будущих исследованиях можно было бы использовать глутамат или другие вещества, стимулирующие сокращения, чтобы морские губки работали без остановки в течение нескольких часов или даже недель, чтобы увидеть, ухудшается ли их здоровье, говорит Салли Лейс, морской биолог из Университета Альберты в Эдмонтоне. Это может указывать на то, что, как многоклеточное животное, вы зависите от периодов, в течение которых ткани могут восстанавливаться и регенерироваться.

Если клетки по всему телу получают пользу от сна, то имеет смысл, что эти клетки будут оказывать какое-то влияние, когда наступает сон. А поиск переключателей дистанционного управления сном может привести исследователей к новым методам лечения нарушений сна, которые затрагивают 60 миллионов человек только в Соединенных Штатах.

Кетема Пол, нейробиолог из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, изучал BMAL1, вездесущий белок, который регулирует экспрессию генов и, как известно, помогает бессонным мышам бодрствовать. До сих пор исследователи предполагали, что мозг создал и использовал BMAL1 для этой задачи. Но Пол и его коллеги обнаружили, что мыши, лишенные сна, полагаются на BMAL1, который вырабатывается в их мышцах. Он подозревает, что белок может быть частью пути, который каким-то образом помогает связать мышечный стресс с сонливостью. И он надеется, что BMAL1, нацеленный на мышцы, однажды сможет противостоять негативным последствиям бессонных ночей. “Я один из тех людей, которые верили, что сон — это все, что связано с мозгом”, — смеется он. “Это не только заблуждение», — говорит он.

Другие исследования на мышах показали, что желудочно-кишечный тракт, поджелудочная железа и жировая ткань генерируют сигнальные молекулы, называемые нейрогормонами, которые, по-видимому, влияют на начало и продолжительность сна. Понимание обратной связи от этих органов к мозгу может предложить новые фармакологические подходы с лекарствами, которые нацелены на другие органы, кроме мозга, — говорит Сегал.

Команда Моррена в Стэнфорде разрабатывает способ наблюдать, как этот процесс обратной связи воспроизводится клетка за клеткой в миниатюрной полупрозрачной рыбе Danionella translucida. Используя флуоресцентные метки и другие маркеры, которые отслеживают активность определенных молекул в мозге и теле рыбы, его команда будет наблюдать, как различные типы клеток контролируют сон и извлекают из этого выгоду с течением времени.

Когда Моррен начал изучать сон рыб 15 лет назад, было много возражений против идеи, что рыбы не спят, — вспоминает он. Это изменилось около 2-х лет назад, когда он и его коллеги разработали методы полисомнографии для рыб и обнаружили, что они, как и люди, переключаются между спокойным и активным состояниями сна. “Это был переломный момент для нашей области”, — говорит Моррен, убеждая скептиков в том, что рыба может быть хорошей заменой млекопитающим при изучении сна.

Будут ли морские оранжевые губки следующим существом, которое сокрушит скептиков? Может быть, не сразу. Джойнер и Роуз не смогли сохранить своих исследуемых здоровыми достаточно долго, чтобы провести надежные эксперименты. После нескольких месяцев они приостановили исследование, чтобы переосмыслить ситуацию.

Но и не будем забывать про команду Ито. В электронных письмах он застенчиво упоминал о работе своей лаборатории над этими простыми существами. «Это текущие наши проекты», — написал он. Пожалуйста, с нетерпением ждите их.

Элизабет Пенниси

Лиз — старший корреспондент, освещающий многие аспекты биологии журнала Science .

Читайте также: