Хаос при переходе от сна к бодрствованию

Датские исследователи из Института Нильса Бора при Копенгагенском университете исследовали, как описать одно из наиболее значительных изменений состояния мозга, а именно переход между сном и бодрствованием. Они обнаружили, что этот переход можно описать как качественное и количественное изменение динамического профиля мембранного потенциала нейронов и что этому переходу способствует изменение концентрации ионов, присутствующих во внеклеточной среде мозга. Результаты опубликованы в научном журнале Cell Systems.

Нервные клетки (нейроны) мозга образуют бесконечно сложную сеть, и понимание их взаимодействия и координации является одной из важнейших задач науки. Активность нейронов мозга зависит от общего состояния, в котором мы находимся (глубокий сон, легкий сон, малоподвижный образ жизни или бодрствование и активность), и это важно для того, как обрабатываются сенсорные впечатления.

Основываясь на исследованиях как на людях, так и на животных, мы уже много знаем о характеристиках нейрональных паттернов возбуждения в этих четко определенных состояниях. Но то, как отдельный нейрон переходит из одного состояния в другое, и механизмы, которые организуют это изменение состояния, все еще недостаточно изучены. Это сложное взаимодействие, при котором внеклеточные сигналы влияют на динамику нейронов, является очень важным элементом в понимании того, как работает человеческий мозг.

Теперь группа датских исследователей наблюдала, используя математические расчеты и компьютерное моделирование, как ранее сообщаемые изменения концентрации внеклеточных ионов могут влиять на переходы между активностью сна и бодрствования в отдельных нейронах.

Рисунок изменен

"Мы начали с внеклеточных ионов, которые изменили свою концентрацию у спящих и бодрствующих лабораторных животных в экспериментальных экспериментах. Наша гипотеза заключалась в том, что это изменение могло способствовать переходу между этими двумя основными состояниями. Поэтому мы были очень взволнованы, когда компьютерное моделирование показало, что экспериментально наблюдаемых значений вместе с ионопроницаемым белком было достаточно для создания значительного перехода в соответствии с тем, что мы видим в живых организмах," объясняет Руне Расмуссен, доктор философии.D. студент нейробиологии в DANDRITE при Орхусском университете.

Оказалось, что переход между сном и бодрствованием не только обеспечивает статистические изменения, но также представляет собой четко определенное изменение паттерна, по которому нейроны посылают электрические импульсы (так называемые потенциалы действия). В то время как активность спящих нейронов характеризовалась математически четко определенными колебаниями или предельными циклами, нейроны бодрствующего состояния демонстрировали нелинейную хаотическую динамику. И это изменение предоставляет важный инструмент для описания перехода между состояниями мозга.

"Хаос – это четко определенная математическая концепция, и поэтому было интересно, когда мы обнаружили, что изменения ионов, наблюдаемые в экспериментах, приводят к хаотической динамике. Это также позволяет реально описать переход, который мы все очень хорошо знаем, и позволяет понять, как исправить как засыпание, так и пробуждение," объясняет Матиас Хельтберг, доктор философии.D. студенты, изучающие биокомплекс в Институте Нильса Бора при Копенгагенском университете.

Новое понимание важности сна

Однако, несмотря на результаты, исследователи отмечают, что до полного описания активности отдельных нейронов и общего состояния мозга еще предстоит пройти долгий путь. Но результаты дают новый взгляд на переход и дают начало новым идеям для понимания роли сна и того, как биология мозга контролирует сон.

"Это интересно, потому что обычно предполагается, что нейроны восстанавливают связи во время сна, когда он спокоен и не подвергаются чрезмерному стрессу. Наше описание поддерживает эту гипотезу и позволяет нейронам действовать синхронно друг с другом. Это потенциально может быть важным элементом из-за большой сложной сети между нейронами," объясняет Могенс Хёг Йенсен, профессор биокомплексов Института Нильса Бора при Копенгагенском университете.

Исследователи отмечают, что они показали, что вы можете описать динамику во время сна и бодрствования, тем самым разделив их как четко определенный переход между различными типами динамического поведения. Это может иметь важные последствия для нашего отношения к важности сна и того, как взаимодействие между различными частями мозга работает во время сна.

Статья под названием "Хаотическая динамика опосредует переходы состояний мозга, вызванные изменениями концентрации внеклеточных ионов" только что был опубликован в сети компанией Cell Systems.