Изучая мышей, ученые из Johns Hopkins подтвердили, что ключевая цель сна – перекалибровать клетки мозга, отвечающие за обучение и память, чтобы животные могли "затвердеть" извлеченные уроки и использовать их, когда они просыпаются – в случае ночных мышей, на следующий вечер.
Исследователи из Медицинской школы Университета Джона Хопкинса также сообщают, что они обнаружили несколько важных молекул, которые управляют процессом перекалибровки, а также доказательства того, что лишение сна, нарушения сна и снотворное могут помешать этому процессу.
"Наши результаты убедительно подтверждают идею о том, что мышь и, предположительно, человеческий мозг могут хранить только определенное количество информации, прежде чем потребуется повторная калибровка," говорит Грэм Дайринг, доктор философии.D., постдокторант, который руководил исследованием. "Без сна и повторной калибровки, которая происходит во время сна, воспоминания могут быть потеряны."
Резюме их исследования опубликовано в журнале Science в феврале. 3.
Дайринг объясняет, что современное научное понимание обучения предполагает, что информация "содержал" в синапсах связи между нейронами, через которые они общаются.
На "отправляющая сторона" синапса сигнальные молекулы, называемые нейротрансмиттерами, высвобождаются клеткой мозга, когда она "пожары"; на "принимающая сторона," эти молекулы захватываются рецепторными белками, которые проходят через "сообщение" вместе. Если клетка получает достаточно информации через свои синапсы, она запускает собственные нейротрансмиттеры.
Более конкретно, эксперименты на животных показали, что синапсы на принимающем нейроне можно переключать, добавляя или удаляя рецепторные белки, тем самым усиливая или ослабляя их и позволяя принимающему нейрону получать больше или меньше входных данных от соседних сигнальных нейронов.
Ученые считают, что воспоминания кодируются с помощью этих синаптических изменений. Но в этом мышлении есть заминка, говорит Дайринг, потому что, пока мыши и другие млекопитающие бодрствуют, синапсы по всему их мозгу, как правило, укрепляются, а не ослабляются, подталкивая систему к максимальной нагрузке. Когда нейроны "исчерпан" и постоянно стреляя, они теряют способность передавать информацию, блокируя обучение и память.
Одна из возможных причин того, что нейроны обычно не достигают максимума, – это процесс, который хорошо изучен на нейронах, выращенных в лаборатории, но не на живых животных, спящих или бодрствующих. Известный как гомеостатическое уменьшение, это процесс, который равномерно ослабляет синапсы в нейронной сети на небольшой процент, оставляя их относительные сильные стороны нетронутыми и позволяя продолжить обучение и формирование памяти.
Чтобы выяснить, действительно ли этот процесс происходит у спящих млекопитающих, Дайринг сосредоточил внимание на областях мозга мыши, отвечающих за обучение и память: гиппокампе и коре головного мозга. Он очистил белки от получения синапсов у спящих и бодрствующих мышей, ища те же изменения, которые наблюдаются в лабораторных клетках при уменьшении масштаба.
Результаты показали 20-процентное снижение уровня рецепторного белка у спящих мышей, что указывает на общее ослабление их синапсов по сравнению с мышами, которые бодрствовали.
"Это было первое свидетельство уменьшения гомеостаза у живых животных," говорит Ричард Хуганир, Ph.D., профессор нейробиологии, заведующий кафедрой нейробиологии и ведущий автор исследования. "Это предполагает, что синапсы реструктурируются по всему мозгу мыши каждые 12 часов или около того, что весьма примечательно."
Чтобы узнать, какие именно молекулы ответственны за это явление, команда обратилась к белку под названием Homer1a, обнаруженному в 1997 году Полом Уорли, М.D., профессор нейробиологии, который также был частью команды, проводившей новое исследование. Исследования показали, что Homer1a – названный в честь древнегреческого автора и ученого "Одиссея" необходим для его идентификации – важен для регуляции сна и бодрствования, а также для уменьшения гомеостаза в нейронах, выращенных в лаборатории.
Повторяя свой предыдущий анализ синаптических белков, Дайринг действительно обнаружил гораздо более высокие уровни Homer1a – на 250 процентов больше – в синапсах спящих мышей, чем бодрствующих мышей. А у мышей, созданных с помощью генной инженерии, у которых отсутствует Homer1a, предыдущего снижения белков синаптических рецепторов, связанных со сном, больше не было.
Чтобы понять, как Homer1a чувствует, когда мыши спят или бодрствуют, исследователи обратились к нейромедиатор норадреналин, который приводит мозг в состояние возбуждения и бодрствования. Блокируя или повышая уровни норадреналина как в нейронах, выращенных в лаборатории, так и у мышей, исследователи подтвердили, что при высоких уровнях норадреналина Homer1a держится подальше от синапсов; когда он был низким, он собирался там.
Чтобы напрямую проверить, связано ли расположение Homer1a со сном, команда не давала спать мышам в течение четырех дополнительных часов, помещая их в незнакомую клетку. У некоторых тогда было два с половиной часа "восстановительный сон." Как и предполагалось, уровни Homer1a в принимающих синапсах были намного выше у лишенных сна мышей, чем у тех, кто получил восстановительный сон. Это говорит о том, говорит Дайринг, что Homer1a чувствителен к животным "потребность во сне," не только какое сейчас время суток.
Дайринг подчеркивает, что потребность во сне контролируется аденозином – химическим веществом, которое накапливается в мозгу, когда животное бодрствует, вызывая сонливость. (Кофеин, наиболее широко употребляемый психоактивный препарат в мире, напрямую влияет на аденозин.) Когда мышам давали препарат во время недосыпания, блокирующий аденозин, уровни Homer1a больше не увеличивались в их синапсах.
"Мы думаем, что Homer1a – этакий гаишник," говорит Хуганир. "Он оценивает уровни норадреналина и аденозина, чтобы определить, когда мозг достаточно спокоен, чтобы начать снижение."
В качестве последней проверки своей гипотезы о том, что уменьшение масштаба во время сна имеет решающее значение для обучения и памяти, исследователи проверили способность мышей учиться без уменьшения масштаба. Отдельных мышей помещали на незнакомую арену и подвергали легкому поражению электрическим током либо при пробуждении, либо прямо перед сном. Некоторым мышам вводили препарат, предотвращающий уменьшение.
Когда незадействованная мышь получила шок незадолго до сна, ее мозг прошел через процесс уменьшения масштаба и сформировал связь между этой ареной и шоком. Находясь на той же арене, эти мыши проводили около 25 процентов своего времени неподвижно, опасаясь нового удара. Когда их помещали на другую незнакомую арену, они иногда замерзали, но только около 9 процентов своего времени на ней, вероятно, потому, что они относительно хорошо понимали разницу между двумя незнакомыми аренами.
Ожидая, что мыши с наркотиками, которые не могут уменьшаться во время сна, будут иметь более слабую память и, следовательно, заморозить меньше, чем мыши без наркотиков, Дайринг был удивлен, что они были неподвижны дольше (40 процентов своего времени), когда вернулись на арену, где они были потрясены. Но мыши под наркотиками также дольше (13 процентов своего времени) оставались неподвижными, когда находились на новой арене. Когда шок применялся после того, как мыши проснулись, лекарство не имело никакого значения в том, как долго мыши замерзали на любой арене, подтверждая, что уменьшение масштаба происходит только во время сна.
"Мы думаем, что воспоминания о шоке были сильнее у мышей, которым вводили наркотики, потому что их синапсы не могли подвергнуться уменьшению, но все виды других воспоминаний также оставались сильными, поэтому мыши были сбиты с толку и не могли легко различить две арены," говорит Дайринг. "Это демонстрирует, почему “сон на нем” может прояснить ваши идеи."
"Суть," он говорит, "что сон – это не просто отдых для мозга?. Тогда у него есть важная работа, и мы в развитом мире недооцениваем себя, экономя на ней."
Хуганир говорит, что сон по-прежнему остается большой загадкой. "В этом исследовании мы изучили только то, что происходит в двух областях мозга во время сна. Вероятно, не менее важные процессы происходят в других областях и во всем теле, если на то пошло," он добавляет.
Среди событий, требующих дальнейшего изучения, – то, как на обучение и память влияют нарушения сна и другие заболевания, которые, как известно, нарушают сон у людей, такие как болезнь Альцгеймера и аутизм. Хуганир также говорит, что бензодиазапины и другие препараты, которые обычно назначают в качестве седативных средств, такие как миорелаксанты и другие средства для сна, как известно, предотвращают снижение гомеостатического давления и могут влиять на обучение и память, хотя эта идея еще не проверена экспериментально.