Мы проводим треть своей жизни во сне, но до сих пор не знаем точно, зачем спим. Недавние исследования показывают, что мозг делает чистку, пока мы спим,и очищается. Согласно другой гипотезе, сон играет жизненно важную роль в восстановлении правильного баланса синапсов мозга для улучшения обучения.
Сон важен для закрепления сформированных воспоминаний. В часы бодрствования мы узнаем много новой информации, как сознательно, так и бессознательно. Чтобы сохранить её, мозг модифицирует большое количество синаптических связей, делая некоторые из них сильнее и больше. Считается, что во время сна другие синапсы ослабляются или разрушаются, так что важная новая информация сохраняется для последующего использования, в то время как ненужный материал удаляется.
Джулио Тонони утверждает, что синаптическое усиление, сопровождающее обучение, увеличивает потребление энергии мозгом и может перегрузить его способность к обработке информации. Его гипотеза синаптического гомеостаза утверждает, что сон перенормирует общую силу синапсов по всему мозгу, и что крупномасштабное "понижение" синапсов происходит, когда мозг отключается во время сна, чтобы уравновесить увеличение, которое происходит во время обучения.
Тонони и его сотрудница Кьяра Чирелли уже показали, что даже короткие периоды сна или бодрствования изменяют синаптическую активность на нескольких уровнях и заставляют синапсы сокращаться или расти соответственно. Их последнее исследование теперь, кажется, показывает, что широко распространенное синаптическое уменьшение масштаба происходит в мозге мышей, когда они спят.
Новая работа, возглавляемая научным сотрудником Луизой де Виво, включала в себя сбор мозгов четырех мышей, которые только что спали, четырех, которые не спали, чтобы играть с новыми игрушками, и четырех, которые не спали сами по себе, а также использование метода последовательной блочной сканирующей электронной микроскопии для создания трехмерных изображений с высоким разрешением почти 7000 синаптических связей в двух различных областях коры головного мозга-задача, которая заняла более четырех лет.
Исследователи изучили тысячи изображений, чтобы вычислить общую площадь поверхности контакта между нервными окончаниями и дендритными шипами, крошечными, похожими на пальцы выступами, которые служат приемным концом синапсов мозга и которые увеличиваются, когда синапсы становятся сильнее.
Они обнаружили, что у мышей, которые спали, наблюдалось общее снижение количества синаптических связей. И вместо того, чтобы быть однородным, понижающее масштабирование было ограничено небольшими шипами и пощадило более крупные, которые предположительно были вовлечены в обучение – в соответствии с идеей, что синаптические связи уменьшаются во время сна.
Второе исследование дает дополнительные доказательства гипотезы синаптического гомеостаза, а также указывает на молекулярные механизмы, лежащие в основе нисходящего масштабирования.
Грэм Диринг из Университета Джона Хопкинса и его коллеги исследовали, как изменяются синапсы в цикле сна/бодрствования, используя двухфотонную визуализацию для визуализации флуоресцентно меченых синаптических белков в мозге живых мышей и протеомные методы для очистки и анализа белков из дендритных шипов.
Они обнаружили, что сон связан с уменьшением размера дендритных шипов и примерно на 20% снижением уровня молекулы, называемой рецептором AMPA, которые удаляются из сморщенных шипов. Когда мыши бодрствуют, синаптический каркасный белок, называемый Гомером, связывает другие рецепторы и их молекулярных партнеров вместе в комплекс, который он удерживает на месте в синапсе под клеточной мембраной. Во время сна укороченный вариант, называемый Homer1a, входит в дендритные шипы, чтобы разобрать эти комплексы и вызвать удаление рецепторов AMPA, что сокращает и ослабляет связь.
Они также создали генетически модифицированных мышей, лишенных гена Homer1a. Эти животные спали точно так же, как их обычные сородичи, но белковый состав их дендритных шипиков не изменился, подтверждая, что Homer1a играет решающую роль в инициировании синаптического нисхождения.
Наконец, исследователи обучили мышей связывать определенное место с мягкими электрическими ударами, а затем ввели некоторым из них химическое вещество, которое предотвращает проникновение Homer1a в дендритные шипы. Затем они перевели мышей в новую среду обитания. Необработанные мыши свободно исследовали свое новое местоположение, но те, кому ввели химическое вещество, забились в угол - поведение, свидетельствующее о страхе и тревоге, - предполагая, что у них были навязчивые воспоминания о шоке, который они получили ранее.
В совокупности эти исследования дают наиболее убедительные доказательства гипотезы синаптического хонмеостаза. Они помогают объяснить, почему сон полезен для умственных функций и почему "сон на нем" может помочь нам мыслить более ясно.
Однако остается еще много вопросов. Как, например, происходит уменьшение размеров синапсов? Мы знаем, что иммунные клетки называют микроглии "черносливовыми" синапсами, но участвуют ли они также в уменьшении масштаба? Как синаптическое понижение масштаба связано с нейрональной активностью, связанной с обучением и памятью? И как это способствует консолидации памяти?