Вчені знайшли перемикачі сну в мозку миші

Біологи вивчали сон більше ста років. З плином часу наверх почали спливати цікаві деталі: позбавлення сну, як ми тепер знаємо, може призвести до летального результату. Сонне тиск — потреба у сні — збільшується, чим довше ми пильнуємо. Як у людей, так і інших ссавців, сон добре помітний у свідченнях активності мозку. Поступово на жужжащей лінії ЕЕГ починає формуватися серія зламів, так званих сонних веретен, якими яскраво світяться монітори лабораторій сну.

Але при всіх цих ретельних спостереження молекулярні машини, що стоять за нашими нічними вильотами з свідомості, залишаються серед найбільш глибоких таємниць у сучасній біології. «На механістичному рівні ми не знаємо, що змушує нас хотіти спати», говорить Аміта Сегал, хронобіолог з Університету штату Пенсільванія, що проводить дослідження сну на плодових мушках. Біологи змушували мутувати тисячі лабораторних організмів начебто мушок, вибираючи з них тих, у кого є відхилення в схемах сну, і вивчали їх гени. Також вивчали людей з розладами сну. Ідея полягає в тому, що якщо ми можемо визначити, які гени порушені — що змушує людей засипати над столом або робить мушок дуже сонними, щоб давати потомство, — ми наблизимося до розуміння того, чому ми взагалі хочемо спати і з чого складається сон на молекулярному рівні.

І ось група вчених з Японії і Техасу оприлюднила перші результати найпотужнішого експерименту, який виводить такий же підхід, але з участю мишей, на небачені раніше масштаби. Протягом кількох років науковці проводили мутації генів тисяч мишей, підключали їх до хвильовим моніторів мозку і спостерігали за їх сном. У нещодавній статті В Nature вчені розкрили два гени, які можуть брати участь у біологічній машині сну. Перший був знайдений у мишей, яким потрібно було більше сну, ніж зазвичай. Інший знайшли у мишей, які проводять менше сну зі сновидіннями (у фазі швидкого руху очей, REM). Ці результати поставили перед дослідниками сну нові цілі і сприяють зростаючої хвилі досліджень по виявленню молекулярної основи сну.

Ідея провести такий експеримент з'явилася в 2007 році, говорить Масаші Янагісава. На той час біолог працював в Південно-Західному медичному центрі Техаського університету. Він зайнявся дослідженням сну за десять років до цього, коли разом з колегами розпочав полювання на цікаві нейротрансмітери, ідентифікувавши білок, який був пов'язаний з нарколепсією. Хворі нарколепсією можуть раптово переходити у фазу швидкого руху очей (засипати), навіть якщо зараз сміялися або сиділи в чаті. Дослідження за участю гризунів, яким не вистачало цього білка, і колонії нарколептических собак в Стенфорді, а також дослідження на людях, незабаром виявили роль білка. Так званий орексин допомагає людям спати — але це ще не вся історія. Вчені виявили і нейрони, що відповідають за стан тривоги і седації. Янагисаве було все цікавіше і все більше хотілося зламати чорний ящик сну.

Не так давно біологи почали вивчати тисячі мутантних мушок у пошуках генів сну. Для мушок, які перебувають у постійному русі, коли сплять, вчені визначають «сон» як періоди бездіяльності. Але золотий стандарт для вивчення людського сну — це електроенцефалографія, або ЕЕГ, що дозволяє відстежувати стадії сну, вимірюючи активність мозку. Було б цікаво спробувати цей метод з мишами, подумав Янагісава. Так, їх розведення і утримання було б дорожче, ніж мушок, але зате їм можна було б поставити імплантати для спостереження ЕЕГ. І миші еволюційно ближче до людей. Тому вчений об'єднав зусилля з Джозефом Таканаши з Південно-Західного університету, фахівця з глибоким дослідженням мишей.

Вони вирішили, що зможуть щотижня створювати 30-40 мутантних мишей, імплантувати монітори активності мозку їм в голови і спостерігати, як довго вони сплять і як довго проводять часу в кожній фазі сну. Це дослідження генерувало такі ж дані, як і дослідження на людях. Мишей з відхиленнями можна було виявити, виходячи з активності мозку, а потім просіяти геноми в пошуках відповідальних за відхилення гени.

Пілотна фаза почалася з кількох сотень тварин. «Кожна миша могла бути скарбом», говорить Янагісава. «Потрібно було просто з'ясувати, яка з них». Вони досить скоро виявили мишу з порушеннями сну. А в 2009 році Янагісава отримав величезний грант від уряду Японії для вивчення сну. Грант був настільки великим, що дозволив йому створити центр при Університеті Цукуба в Японії, щоб продовжити спостереження у великих масштабах. «Тепер ми робимо до 100 мишей на тиждень», говорить Янагісава.

У роботі в Nature представлені результати дослідження 8000 мишей. Протягом багатьох років, як Сегал і інші дослідники, вони чули що-небудь новеньке про прогрес цієї групи. Тим не менш назви генів завжди тримали в суворій таємниці. Сегал згадує нараду, на якій дослідник з лабораторії Янагісава поддразнивающе запитав аудиторію: «Запитайте, про що хотіли б дізнатися?». Юрба ревла у відповідь: «Назвіть гени!».

«Так що я була дуже рада побачити роботу», зі сміхом каже Сегал, «і, нарешті, з'ясувати, що це були за гени».

Перший ген, який описала команда вчених, створює білок під назвою SIK3. Миші з мутантним геном SIK3 проводять менше часу в активному режимі — щодня вони спали на 30% більше, ніж інші миші. SKI3 це фермент, який використовує клітинні батареї — молекули зберігання енергіїпід назвою АТФ — для активації інших білків. Коли вчені досліджували природу цієї мутації, вони виявили, що вона видалила перемикач SIK3. Мутація замкнула SIK3 в режимі «вкл».

Інший ген знайшли у миші, яка витрачала менше звичайного часу у фазі сну швидкого руху очей, випадково впадаючи і випадаючи з цього стану, яке зазвичай тривало протягом передбачуваного періоду часу. Мутація в даному випадку була в білку NALCN, який виступає в якості каналу в клітинних стінках нейронів. Цей білок дозволяє іонам прориватися через них. Конкретно у цій миші мутація могла викликати нейронну активність, яка дуже рано виводила тварина з фази швидкого руху очей.

Виявлення генів, пов'язаних зі сном, не призведе до миттєвих відповідей. Сон має важливе значення для виживання, що предки кожного сплячого істоти, яка живе сьогодні, ризикували смертю, щоб робити це щодня. Це означає, що у кожного з нас в організмі є маса способів викликати сон. Механізмів повинно бути багато, щоб їх було важко порушити випадковою мутацією гена або чимось ще, щоб виключити можливість сну цілком. Мутантна муха, яка народиться з важкою патологією сну, з плином поколінь буде виробляти все більшу і більшу потребу сну, каже Сегал. Це може представляти незручність для вчених, але одночасно з цим говорить про надійність сну як механізму. І більшість генів, пов'язаних зі сном, які знайшли за останні десять років, мали багато призначень. «Не існує окремого «гена сну», говорить Дівья Ситараман, дослідник сну з Університету Сан-Дієго. «Є гени з базовими функціями, які теж впливають на сон».

У новій роботі наводиться відмінний приклад. SIK3, як виявилося, показується не тільки в мозку. Протягом багатьох років вчені з'ясували, що він використовується по всьому тілу. Він пов'язаний з метаболічними проблемами, які можуть призводити до сонливості організму, говорить Те Скаммелл, лікар і дослідник сну в Гарвардській школі медицини. Медичне дослідження мишей може допомогти виявити, чи пов'язана ця сонливість з впливом SKI3 на сон або, наприклад, з пошкодженням печінки або нирок.

Тим не менше, у міру того як робота над тваринами моделями продовжує виявляти все більше пов'язаних зі сном генів, у людей цей набір вимагає більш серйозного підходу. Вчені перебирають тисячі людей залежно від часу їх сну, вивчають їхні гени, щоб виявити між ними які-небудь зв'язки і закономірності. Але дослідження не дають вагомих результатів.

Поки що було виявлено не так багато асоціацій з генами, каже Ріка Саксена, генетик з Гарвардської школи медицини. Це пов'язано, швидше за все, з надлишком механізмів примусу до сну — не існує або його не знайшли конкретно виражених генів, вплив яких можна виявити на загальному тлі.

Втім, це абсолютно нормально для відносно нової галузі досліджень. Так, сни досліджують давно, але до недавнього часу ці дослідження носили вельми описовий характер. Тепер же ці дослідження більш механізовані. Тим часом Янагісава і його колеги продовжують спостерігати за сплячими гризунами. І повірте, це дуже цікаво.