Международная группа ученых из Оксфордского университета предлоджила фундаментальный механизм возникновения потребности во сне. Исследователи обнаружили, что давление сна связано с избытком электронов в митохондриях специализированных нейронов мозга, которые работают как своеобразные «песочные часы», отсчитывающие время до необходимости восстановления. Результаты этого исследования опубликованы в журнале Nature и могут кардинально изменить понимание природы сна и его нарушений.
Молекулярные механизмы митохондриальной регуляции давления сна
Длительное бодрствование сопровождается множественными изменениями в мозге – от паттернов (рисунков) нейронной активности до концентраций метаболитов и программ экспрессии генов. Однако до сих пор остается неясным, что именно становится причиной, а что следствием растущей потребности во сне. Исследователи предполагали связь между сном и аэробным метаболизмом, основываясь на эмпирическом законе, связывающем суточное количество сна с потреблением кислорода у млекопитающих.
Команда использовала одноклеточное секвенирование РНК (scRNA-seq) для анализа 13 173 клеток мозга дрозофил в состоянии покоя и после депривации сна. Особое внимание уделялось нейронам дорсального веерообразного тела (dFBNs) – специализированным клеткам, контролирующим индукцию сна. Исследователи применили флуоресцентные маркеры для выделения этих нейронов, а также использовали оптическую фотонную микроскопию (OPRM) для сверхвысокого разрешения митохондрий.
Анализ транскриптома выявил, что после 12 часов депривации сна в dFBNs селективно активируются гены, кодирующие белки митохондриального дыхания и синтеза АТФ. Параллельно снижалась экспрессия генов синаптической передачи. Этот уникальный «отпечаток» недосыпания отсутствовал в других типах нейронов. Морфологический анализ показал, что депривация сна вызывает фрагментацию митохондрий в dFBNs. Концентрация АТФ в этих нейронах возрастала в 1,2 раза после того, как дрозофилам не давали спать.
При эксперименте с митохондриями авторы обнаружили причинно-следственную связь: принудительная фрагментация митохондрий уменьшала сон и отменяла гомеостатический ответ на депривацию. Напротив, усиление слияния митохондрий увеличивало базовый сон и его восстановление, повышая порог пробуждения.
Исследователи предложили, что во время бодрствования в dFBNs возникает дисбаланс между поступлением электронов в дыхательную цепь и потребностью в АТФ. Это приводит к переполнению пула коэнзима Q и «утечке» электронов с образованием активных форм кислорода. А один из белков (β-субъединица калиевого канала) работает как сенсор этого процесса, определяя продукты перекисного окисления липидов и модулируя электрическую активность нейронов.
Работа впервые показала, что сон может быть неизбежным следствием аэробного метаболизма, подобно старению. Авторы проводят параллели с гипоталамическими нейронами млекопитающих, контролирующими энергетический баланс, где также наблюдаются циклы деления и слияния митохондрий.
Однако основные ограничения исследования включают фокус только на одном типе клеток у дрозофил, что требует подтверждения у млекопитающих. Кроме того, анализ ограничен практическими возможностями охвата всех типов нейронов, хотя намеки на сходные изменения обнаружены в нейронах эллипсоидного тела – другого элемента гомеостаза сна.
Текст: Анна Хоружая
Mitochondrial origins of the pressure to sleep by Raffaele Sarnataro et al. in Nature. Published: July 2025