Большинству из нас нужно больше спать. Мы чувствуем это в нашем стремлении к дополнительной чашке кофе и в ускользающем когнитивном захвате, когда напряженный день размалывается. И сон был прочно связан с нашим мышлением, обостряя его, когда мы получаем достаточно и притупляя его, когда мы получаем слишком мало.
То, что производит эти эффекты, знакомо нейробиологам: внешние световые и темные сигналы, которые помогают установить наши ежедневные, или циркадные, ритмы, “часовые” гены, которые действуют как внутренние хронометристы, и нейроны, которые сигнализируют друг другу через соединения, называемые синапсами. Но как эти факторы взаимодействуют, чтобы освежить мозг, когда мы спим, остается загадкой.
Результаты, опубликованные 10 октября в двух статьях в Science place synapses в центре внимания. Эти узлы нейронной связи, как показывают исследователи, являются местом, где сходятся внутренние приготовления ко сну и эффекты нашего поведения, связанного со сном. Клеточные хронометристы ритмично подготавливают области вокруг синапсов в ожидании построения синаптических белков во время сна. Но новые данные показывают, что нейроны не в конечном итоге строят эти критические белки в отсутствие сна.
Результаты показывают, что мозг " готовится к событию, но это не означает, что вы на самом деле выполняете его”, - говорит Роберт Грин, нейробиолог из Юго-Западного Медицинского центра Университета Техаса, который не участвовал в исследовании. Грин называет исследования "увлекательными“, говоря, что они подтверждают” давно подозреваемую" связь между внутренним хронометражем и поведением во сне.
Когда мы становимся сонными, в игру вступают два фактора:” давление сна " или растущее очарование манящей подушки по мере удлинения времени бодрствования, и наши внутренние часы сигнализируют, что наступила обычная точка для сна. В одном из двух исследований Сара Б. Нойя из Института фармакологии и токсикологии Цюрихского университета и ее коллеги показали, что у мышей внутренние часы регулируют ритмическую генерацию инструкций, или транскриптов, для производства белков. Поддавшись давлению сна и ударившись о сено, они обнаружили, что запускают заключительные этапы производства белка.
Команда Нойи обнаружила, что в два пиковых момента в течение 24-часового дня, непосредственно перед пробуждением и сном, нейроны в областях мозга, связанных с когнитивной деятельностью, упаковывали сигнальные станции хронометрирующей клетки с этими транскриптами. Транскрипты "время сна“, как правило, были для белков, которые регулируют строительство других белков, в то время как инструкции” время бодрствования" были для белков, связанных с функцией синапса. Эти спрятанные молекулы создают условия для быстрого обновления синапсов во время сна. Мыши, лишенные важных генов часов, не показали этих пиков.
С регулярным циклом сна-бодрствования, протеины построенные используя эти инструкции также показали пиковую продукцию на рассвете и сумерках. Однако у мышей, лишенных сна, Нойя и ее коллеги продемонстрировали, что клетка все еще производит многие транскрипты, но не строит родственные белки. Этот результат подразумевает, что сон регулирует заключительный, белковый шаг в обеспечении надежных синапсов.
Однако не все белки, которые производит клетка, обязательно идут на активную службу. В сопутствующей статье Франциска Брюнинг из Мюнхенского университета Людвига Максимилиана и Института биохимии Макса Планка в Мартинсриде, Германия, и ее коллеги исследовали ритмическое использование тех, которые делают. Прикрепление или удаление молекулы фосфата действует как переключатель для включения или выключения белков, поэтому исследователи внимательно изучили этот процесс. Они обнаружили, что уровень белков, которые были помечены фосфатами, также достиг максимума в два раза, причем больший пик приходился как раз перед пробуждением. И как с белками в другом исследовании, лишение сна сгладило эти пики.
Исследователи проводили свои измерения каждые четыре часа, опережая более ранние исследования, которые обычно смотрели на одну временную точку в течение 24-часового периода, говорит Кьяра Чирелли, нейробиолог из Университета Висконсин-Мэдисон, который совместно написал комментарий, сопровождающий две статьи. “Это очень всесторонний анализ по всему светлому-темному циклу", - говорит она.
Сирелли подчеркивает важность изоляции синаптических областей, где эти молекулы накапливаются и производятся. Исследователи фиксировали, когда транскрипты были расположены наготове и когда белки—помеченные фосфатами или нет —были сделаны или использованы, говорит она.
Мария Роблес, нейробиолог из Мюнхенского университета Людвига Максимилиана и соавтор обеих работ, говорит, что результаты, различающие различные стадии производства и активности белка, открывают глаза, показывая, что мозг имеет "прекрасный способ контролировать" эти молекулы.
Несмотря на то, что исследования проводились на мышах, мозг этих животных оказался довольно надежным заменителем человеческого, говорит Ахилеш Б. Редди, нейробиолог из Медицинской школы Перельмана при Пенсильванском университете, который не участвовал в работе. Полученные результаты имеют значение для того, как мы консолидируем воспоминания во время сна, среди других перспективных направлений исследований, говорит он, привлекая внимание прямо к событиям в синапсе. Это не означает, однако, что вмешательства для повышения памяти и познания вырисовываются в ближайшем будущем, основываясь на этих выводах, говорит Роблес. “Это только верхушка айсберга”, - добавляет она.