Дослідники з Гарварду допомагають розгадати таємницю сну

Нове дослідження сну виявило дивовижні зв’язки між мозком і кишечником.

Сон має першочергове значення серед людської діяльності – його відсутність навіть на одну ніч може перешкодити нашій когнітивній функції, чуйності та загальній щоденній продуктивності. Незважаючи на його важливу роль у здоров’ї та виживанні, наукове розуміння сну все ще неповне.

З’являється Драгана Рогуля, нейробіолог, який намагається розгадати основну біологію сну.

Роголя, як сама себе назвала пізнім прибульцем у науку, приваблює питання, які вона вважає «загалом цікавими та легкими для розуміння на базовому людському рівні».

Одне з таких питань… Що відбувається, коли ми спимо?

Для Роголги, доцента нейробіології в Інституті Блаватника Гарвардської медичної школи, одним із цікавих аспектів сну є несвідомість і усвідомлення, які він приносить, коли зовнішній світ зникає, а внутрішній світ бере верх.

У розмові з Harvard Medicine News Роголя детально розповіла про своє дослідження сну, яке використовує плодових мушок і мишей, щоб дослідити, чому нам потрібен сон і як ми відключаємось від світу під час сну.

Новини Гарвардської медицини: Що ви вивчаєте в контексті сну?

Роголя: Є два головних питання, які моя лабораторія вирішувала протягом останніх кількох років. По-перше, чому сон так важливий для виживання. Чому, якщо ви не спите, ви буквально помрете незабаром? Інше питання полягає в тому, як ваш мозок відключається від навколишнього середовища, коли ви засинаєте.

Яким чином подразники не потрапляють у ваш мозок під час сну? Підвищення порогу сенсорного збудження має важливе значення для сну, і ми хочемо зрозуміти, як цей бар’єр побудований навколо мозку. Сон — це єдиний стан, але, здається, він має кілька компонентів, які регулюються різними механізмами. Ми хочемо зрозуміти ці механізми.

HMNews: Як ваше дослідження змінило ваше уявлення про сон?

Роголга: Довгий час вчені керувалися принципом, що сон – це мозок, мозок і ще раз мозок. У результаті дослідження здебільшого зосереджені на мозку з точки зору пошуку причин, чому сон необхідний для виживання. Однак тепер ми розуміємо, що, хоча сон може бути корисним для мозку, він не тільки для мозку. Сон — це дуже давня поведінка, яка, на нашу думку, походить від перших тварин. Ці тварини не мали мозку. Просто у них була дуже проста нервова система.

Потім, у міру того, як тварини ставали все більш досконалими, з’явилися і об’єкти, пов’язані з мозком, пов’язані зі сном. Однак дослідники досліджували мозок тварин, позбавлених сну, щоб спробувати знайти причину їхньої смерті, але нічого не знайшли. З іншого боку, клінічні дані показують, що депривація сну у людей призводить до всіляких захворювань в організмі. Для нас це означає, що сон — це щось більше, ніж просто мозок.

Наше дослідження говорить нам, що нам потрібно перестати думати про мозок окремо від тіла, коли йдеться про сон. Мене все ще вражає те, наскільки нейробіологи схильні вважати мозок вищим за тіло та на вершині ієрархії. Щоб розгадати найбільші таємниці нейронауки, нам потрібно застосувати більш інтегрований підхід, що моя лабораторія намагається зробити для сну.

Ми з’ясували, що нам дійсно потрібно думати про все тіло, щоб зрозуміти сон. І це має сенс. Коли ви лягаєте спати, ваші м’язи розслабляються, а кровообіг змінюється. Звичайно, це стосується всього організму.

HMNews: Які інструменти ви використовуєте для вивчення сну?

Рогуля: Історично було проведено багато досліджень сну на людях, але ці експерименти, як правило, обмежені та описові, тому що ви не можете проводити експерименти на людях. Однак за останні два з половиною десятиліття вчені зрозуміли, що плодові мушки сплять. А нещодавно ми виявили, що гени, які регулюють сон у мух, збереглися у мишей.

Коли я починав свою лабораторію, ми використовували лише плодових мушок як модельну систему для вивчення сну, але з того часу ми також змогли створити модель миші. Плодові мушки дозволяють нам швидко перевірити багато гіпотез і провести великі, неупереджені генетичні аналізи, а потім ми можемо перевірити те, що ми виявили на мишачих мухах, які дуже схожі на людей.

HMNews: Ваш 2020 рік клітина Ви відповіли на питання, чому сон такий важливий для виживання. яка відповідь?

Ми виявили, що плодові мушки, які менше спали, мали меншу тривалість життя: ми побачили кореляцію: чим більше мушки втрачали сон, тим швидше вони гинули. Цікаво, що модель депривації сну не була значною. Має значення кількість втраченого сну. Схоже, існує переломний момент, коли брак сну пов’язують зі смертю, кажучи нам, що в організмі може відбуватися щось особливе, а не загальне зношення.

Для подальшого дослідження цього ми пофарбували різні органи позбавлених сну мух на маркери пошкодження клітин. Ми виявили, що в кишківнику спостерігалося збільшення окисно-відновних молекул, і пік окисно-відновної ланки корелює з точкою перегину, де мухи почали гинути. Ми підтвердили цей висновок на мишах, позбавлених сну. Але коли ми давали позбавленим сну мухам антиоксиданти або вмикали гени, що виробляють антиоксиданти, у кишечнику, ми виявили, що мухи можуть виживати з невеликою кількістю сну або без нього, що вказує на те, що кишечник є дійсно важливою мішенню для сну.

HMNews: Чи є якісь потенційні застосування для людей?

Наші результати показують, що якщо ми зможемо запобігти окисному стресу в кишечнику, ми зможемо протидіяти впливу втрати сну. Це важливо, оскільки дуже багато захворювань пов’язані з дисфункцією кишечника, і багато захворювань, які виникають, коли ви не висипаєтеся, насправді можуть бути результатом пошкодження кишечника. Зараз ми починаємо розглядати, як ми діагностуємо кишковий окислювальний стрес через брак сну у людей. Ми хочемо розробити «таблетки, які можна ковтати» — таблетки або таблетки, які можна проковтнути та повідомляти про окисно-відновний стан у вашому кишечнику, наприклад, змінюючи колір калу.

Ми також шукаємо біомаркери: молекули, які вже циркулюють в організмі, які вказують на поганий сон і окислення кишечника. У моїй лабораторії клініцисти характеризують мишей, позбавлених сну, щоб знайти такі біомаркери. Ми вже маємо деякі молекули, які є багатообіцяючими маркерами антиоксидантів, і, здається, їх кількість зменшується за допомогою антиоксидантної терапії. Зрештою, можна розробити харчові добавки для перорального прийому, щоб зменшити окислення кишечника через брак сну.

HMNews: Ви щойно опублікували нову наукову статтю в клітина Досліджує, як мозок відключається від навколишнього середовища під час сну. Розкажи нам більше.

Досі ми про це майже нічого не знали. Незрозуміло, чи є одне місце в мозку, де вся сенсорна інформація послаблюється під час сну, чи таких місць багато. Наприклад, чи однаково обробляються дотик і температура під час сну? Айріс Тітос, докторант у моїй лабораторії, створила систему, яка може забезпечувати легку, середню або високу вібрацію плодовим мушкам.

Зазвичай, коли ви використовуєте вібрацію низької інтенсивності, дуже мало мух прокидається, а коли ви використовуєте вібрацію високої інтенсивності, реагують майже всі мухи. Далі ми провели масштабний аналіз, щоб ідентифікувати гени, які контролюють те, як легко прокидаються мухи, — гени, які полегшують пробудження мух, і гени, які в основному дозволяють мухам спати під час землетрусу.

HMNews: Що показав генетичний скринінг?

Результати екрану були дуже цікавими. Ми ідентифікували ген, який кодує молекулу під назвою CCHa1. Коли ми вичерпали CCHa1 у мух, вони прокидалися дуже легко — тож замість 20 відсотків прокидатися від певного рівня вібрації прокидалися 90 відсотків.

Однак, хоча CCHa1 присутній як у нервовій системі, так і в кишечнику, коли ми вичерпали його в кишечнику, мух прокинулися легше. Клітини в кишечнику, які виробляють CCHa1, називаються ентероендокринними клітинами, і насправді вони мають багато спільних властивостей з нейронами і навіть можуть з’єднуватися та спілкуватися з нейронами. Ці клітини звернені всередину кишечника, і вони як би «пробують» вміст кишечника.

Ми виявили, що чим вища концентрація білка в раціоні, тим більше CCHa1 кишкових клітин виробляється. Потім ця молекула подорожує з кишківника в мозок, де посилає сигнали невеликій групі дофамінергічних нейронів, які також отримують інформацію про вібрації.

Ці нейрони виробляють дофамін, який зазвичай посилює збудження, але в даному випадку пригнічує збудження. Вібрації пригнічують активність дофамінергічних нейронів, змушуючи мух легше прокидатися. CCHa1, що виробляється кишечником, по суті, захищає дофамінергічні нейрони від вібрацій, дозволяючи мухам бути більш неосвіченими щодо навколишнього середовища та спати глибше.

Ми також виявили, що шлях CCHa1, хоч і важливий для передачі механосенсорної інформації, не впливає на те, наскільки легко мухи прокидаються під впливом тепла, що свідчить про те, що різні сенсорні модальності, такі як вібрація та температура, можуть бути дискретними. Нарешті, ми показали, що дієта з високим вмістом білка також покращує якість сну у мишей, роблячи їх більш стійкими до механічних збурень. Зараз ми перевіряємо, чи задіяний подібний сигнальний шлях у мишей.

HMNews: Про що вам говорять ці результати?

Ну, ми знаємо з інших досліджень, що коли тварини голодують, вони пригнічують сон, щоб добути їжу. Навпаки, коли вони ситі, особливо коли вони насичені білком, вони, як правило, сплять більше. Тепер ми показали, що коли в раціоні більше білка, тварини також глибше сплять і стають менш сприйнятливими. Це говорить про те, що якщо тваринам не потрібно добувати їжу, вони можуть відокремитися від навколишнього середовища і сховатися десь спати, що може бути безпечніше. У більш широкому плані наше дослідження показує, що вибір дієти впливає на якість сну. Тепер ми можемо досліджувати цей зв’язок у людей, щоб зрозуміти, як маніпулювати дієтою для покращення сну.

HMNews: Чи є щось про сон, що, на вашу думку, люди часто неправильно розуміють?

Роголя: Одна річ, яку, на мою думку, люди повинні усвідомити: те, що ми відчуваємо, і те, що відбувається в наших тілах, не має бути однаковим. Під час нашого дослідження ми виявили, що можна відокремити відчуття сонливості від потреби уві сні — деякі тварини, які страждають від недосипання, не обов’язково відчувають сонливість, а ми можемо сказати, що це так, оскільки вони не спали більше, ніж потрібно. щоб потім виспатися. Позбавлення припинилося, але ці тварини померли від недосипання.

Це означає, що навіть якщо ми можемо обдурити себе, щоб не відчувати сонливості, відсутність сну все одно може негативно вплинути на наше тіло – наприклад, якщо ви ковтаєте речовину, яка змушує вас почуватися неспаними, у вашому кишечнику відбудеться така сама кількість окислення. .

Люди можуть казати, що їм добре спати лише кілька годин на ніч, але вони мають на увазі лише те, що можуть пережити день. Їх організм все ще реєструє брак сну. Ми не можемо знати, що відбувається в нашому тілі через недосипання, і нам, ймовірно, потрібно більше сну, ніж ми думаємо.

Посилання: «Пептид, що виділяється в кишківнику, запобігає збудженню від сну» Айріс Тітус, Алін Йогінович, Александра Ваккаро, Кеші Намбара, Павло Горелік, Офер Мазур і Драгана Роголя, 22 березня 2023 р., доступно тут. клітина.
DOI: 10.1016/j.cell.2023.02.022

Довідка: «Нестача сну може спричинити смерть через накопичення активних форм кисню в кишківнику» Александра Ваккаро, Юсуф Каплан-Дурр, Кеші Намбара та Елізабет А. Пауліна, Сінді Лейн і Майкл Е. клітина.
DOI: 10.1016/j.cell.2020.04.049

Додаткові автори статті 2023 Cell включають Алена Югіновича, Александру Ваккаро, Кейші Намбара, Павла Гореліка та Офера Мазора з HMS.

Дослідження було підтримано Нью-Йоркським фондом стовбурових клітин Національні інститути здоров’яПрограма Pew Scholars з біомедичних наук.