Сон без сна: ученые заставили мозг мышей «отдыхать» наяву ( 3 фото )

Может ли организм получить пользу от сна, оставаясь при этом в полном сознании? Этот вопрос заинтересовал группу нейробиологов из США. Они провели исследование на грызунах и обнаружили, что искусственное включение и выключение нейронов в коре бодрствующего мозга способно вызвать эффекты, схожие с фазой медленного сна. Более того, такая стимуляция улучшила память подопытных. Теперь ученые планируют проверить метод на людях.

Две мыши (по бокам), экспрессирующие усиленный зеленый флуоресцентный белок при ультрафиолетовом освещении / © Wikimedia, Ingrid Moen, Charlotte Jevne, Jian Wang, Karl-Henning Kalland, Martha Chekenya, Lars A Akslen, Linda Sleire, Per Ø Enger, Rolf K Reed, Anne M Øyan and Linda EB Stuhr

Сон необходим не только для физического отдыха, но и для восстановления когнитивных функций, памяти и синаптической перестройки. Во время сна мозг не прекращает работу, а переходит в особый, высокоактивный режим, выполняя критически важные задачи, которые затруднительно решать в состоянии бодрствования.

В течение дня в мозге активно формируются новые синапсы — контакты между нейронами или между нейроном и эффекторной клеткой, которые помогают закреплять новую информацию и опыт, приобретенный за день.

Когда человек учится чему-то новому или запоминает важные данные, мозг не просто фиксирует факт в готовую ячейку, а изменяет силу и иногда структуру синапсов между нейронами, задействованными в этих процессах. Проще говоря, в процессе обучения полезные нейронные связи усиливаются, а редко используемые — ослабевают. Так мозг выделяет важное, делая нужные цепочки более востребованными и экономя ресурсы.

Во сне мозг очищает и перенастраивает сеть, чтобы важные связи сохранялись и работали эффективнее. Этот процесс, при котором сон помогает поддерживать баланс силы синапсов и предотвращает перенасыщение нейронной сети, называется гипотезой синаптического гомеостаза.

Многие специалисты считают, что ключевую роль в поддержании синаптического гомеостаза играет медленный сон, или NREM-сон. Он начинается сразу после засыпания и занимает 75–80 процентов общего времени ночного отдыха. В этой фазе снижается мозговая активность и отсутствуют быстрые движения глаз.

В этот период кора головного мозга демонстрирует характерную активность: большие группы нейронов периодически переходят из активного состояния в почти безмолвное и обратно, то есть включаются и выключаются. Такие циклы повторяются несколько раз в секунду. Некоторые исследователи полагают, что именно эти синхронные переходы играют важную роль в восстановлении мозга после бодрствования и помогают поддерживать нормальную работу нейронных сетей.

Существует гипотеза, что подобные механизмы могут встречаться у некоторых других животных, например, у тех, кто демонстрирует признаки однополушарного сна. У дельфинов, уток и морских котиков одно полушарие мозга может находиться в состоянии NREM-сна, в то время как второе продолжает контролировать окружающую обстановку и реагировать на опасность.

Команда американских нейробиологов под руководством Кьяры Чирелли (Chiara Cirelli) из Висконсинского университета в Мадисоне задалась вопросом: можно ли воспроизвести хотя бы часть ключевых функций сна, если искусственно вызвать у бодрствующего мозга те же синхронные переходы активности и покоя нейронов, характерные для NREM-фазы?

Чирелли с коллегами взяли генетически модифицированных мышей и в одно из полушарий мозга вживили двусторонний линейный силиконовый зонд, позволяющий одновременно регистрировать активность нейронов и управлять ею с помощью оптогенетической световой стимуляции. В другое полушарие имплантировали зонд, который вел обычную запись, позволяя наблюдать работу части мозга в обычном режиме для сравнения.

После этого мышей удерживали в бодрствовании в течение пяти часов, постоянно давая им новые объекты для исследования. Чтобы заставить небольшой участок коры работать в соноподобном режиме, нейробиологи прибегли к двум разным способам.

Схема имплантации зондов в мозг мышей / © Chiara Cirelli

В первом случае активировали тормозные нейроны — клетки, которые успокаивают соседние нейроны и снижают их активность. При световой стимуляции в этом участке мозга возникали ритмичные колебания активности нейронов, напоминающие медленные электрические колебания ритмов головного мозга (дельта-ритм с частотой 0,5–4 герц), характерные для фазы медленного сна.

Во втором случае возбуждающие нейроны модифицировали так, чтобы их можно было временно выключать светом. Когда свет включался, эти нейроны переставали работать, и участок мозга снова переходил в состояние резкого снижения активности.

Затем животным позволили уснуть. Записи мозговой активности показали, что стимулированная область коры почти не демонстрировала признаков потребности во сне. Судя по данным эксперимента, этот участок успел выполнить некоторые восстановительные процессы еще во время бодрствования.

Чтобы проверить, влияет ли соноподобный эффект на память, команда Чирелли провела второй эксперимент. Исследователи использовали тест на распознавание новой текстуры.

Схема второго эксперимента / © Chiara Cirelli

Сначала мышей поместили в контейнеры, в которых пол застелили ковриком с одинаковой текстурой, и выделили им 15 минут на изучение нового пространства для формирования запоминания. После животных распределили на три группы: одной дали возможность нормально поспать, вторую лишили сна, а в коре мозга бодрствующих грызунов из третьей группы ученые вызывали соноподобные циклы включения и выключения нейронной активности с помощью оптогенетической стимуляции.

На следующий день мышей возвратили в те же контейнеры, но теперь на одной половине пространства лежал коврик с новой текстурой. Обычно эти грызуны проявляют повышенный интерес к новым объектам и незнакомой среде. Поэтому нейробиологи оценивали память животных по тому, сколько времени они проводили на стороне с новым покрытием.

Оказалось, животные, лишенные сна, хуже распознавали изменения и проявляли слабую реакцию на новизну, тогда как грызуны, которые спали, показывали нормальное для них поведение.

Мыши, у которых во время бодрствования искусственно воспроизводили соноподобную активность мозга, вели себя так же, как животные из группы сна: они чаще исследовали участок с новой текстурой. Такое поведение свидетельствует о восстановлении памяти у бодрствующих мышей с искусственной стимуляцией. Уровень этого восстановления оказался сопоставим с показателями у животных, получавших полноценный сон.

Результаты позволяют предположить, что соноподобная активность во время бодрствования может частично воспроизвести эффекты медленного сна и улучшить память.

Следующим шагом станет проверка технологии на людях. Исследователи планируют использовать неинвазивную транскраниальную электрическую стимуляцию. Такой метод не требует хирургического вмешательства и позволяет воздействовать на мозг через поверхность головы. Однако говорить о полной замене сна пока рано.

Современная наука делит время сна у людей на две основные фазы — NREM-сон и REM-сон. В отличие от первой фазы, вторая сопровождается быстрыми движениями глаз. Ученые до сих пор не до конца понимают, почему именно чередование этих состояний обеспечивает полноценное восстановление организма. Новый эксперимент показал, что часть полезных эффектов сна можно воспроизвести искусственно, но сам сон, вероятно, еще долго останется незаменимой потребностью человека.

Научная работа опубликована в журнале Nature Neuroscience.

Как вы думаете, сможет ли технология «высыпаться без сна» заменить полноценный отдых?