Ученые обнаружили ослабление синапсов во время сна

Два независимых американских научных коллектива обнаружили, что во время сна размеры и сила синапсов в мозге уменьшаются, что служит подтверждением гипотезы синаптического гомеостаза. Обе работы (раз и два) опубликованы в журнале Science, им также посвящена сопутствующая редакционная статья.

Физиологическая роль сна остается до конца не известной, хотя на этот счет существует множество гипотез. Одна из них — гипотеза синаптического гомеостаза — гласит, что сон необходим для поддержания баланса силы синапсов. Во время бодрствования мозг постоянно усваивает и обрабатывает новую информацию, что выражается в укреплении хранящих ее синаптических связей: увеличении площади контакта между аксоном одного нейрона и шипиками (выростами дендритов, формирующими синаптический контакт) другого, объема шипиков и числа глутаматных AMPA-рецепторов. Согласно упомянутой гипотезе, за период бодрствования суммарное усиление синаптических связей в мозге становится чрезмерным, что приводит к возникновению «шума» в нейрональных сетях, мешающего нормальному хранению и обработке информации. Во время сна должно происходить ослабление синапсов, чтобы их сигналы не заглушались «шумом».

Авторы гипотезы синаптического гомеостаза из Университета Висконсина в Мэдисоне с коллегами из Калифорнийского университета в Сан-Диего проверили эксперимент, направленный на проверку ее состоятельности. Для этого они забирали 25-микрометровые образцы серого вещества из двигательных и сенсорных областей коры мозга мышей в разные периоды сна и бодрствования. В этих образцах с помощью трехмерной электронной микроскопии определяли площадь синаптических контактов между аксонами и шипиками и объем шипиков. Всего таким способом были изучены 6920 синапсов.

Выяснилось, что площади контактов между аксонами и шипиками во время сна уменьшаются в среднем примерно на 18 процентов, причем это уменьшение пропорционально размеру синапса. Аналогичным образом уменьшался и объем шипиков.

При этом процесс ослабления синаптических связей был селективным: он не затрагивал наиболее крупные и сильные синапсы (примерно 20 процентов из всех), в шипиках которых не наблюдалось эндосом (клеточных структур, отвечающих за обновление мембран, рецепторных и других белков). По мнению исследователей, незатронутыми остаются синапсы, которые хранят наиболее важные и стабильные воспоминания.

Работа другого научного коллектива из Университета Джонса Хопкинса посвящена молекулярным изменениям, происходящим в синапсах во время сна и бодрствования. Для их изучения исследователи провели иммунохимический анализ синапсов в образцах серого вещества спящих и бодрствующих мышей, а также двухпротонную визуализацию синапсов мозга живых мышей во время сна и бодрствования.

Выяснилось, что во сне синаптические связи значительно ослабляются за счет уменьшения числа AMPA-рецепторов и их дефосфорилирования, что коррелирует с размерами шипиков и активностью фосфорилирующих ферментов. Эти изменения были связаны с повышением уровня белка Homer1a, который препятствует формированию сигнального комплекса из метаботропных глутаматных рецепторов 1 группы (mGluR1/5), протеинкиназы С и инозитолтрифосфатных рецепторов. При этом экспрессия Homer1a регулируется нейромедиаторами, отвечающими за бодрствование (норадреналин) и засыпание (аденозин). Предыдущие исследования показали, что Homer1a и mGluR5 необходимы для регуляции циклов сна и бодрствования, а также гомеостатического ослабления синаптических связей in vitro и в ответ на электросудорожную терапию in vivo.

Чтобы выяснить роль Homer1a, ученые создали мышей, лишенных кодирующего этот белок гена. Сон таких животных оказался незатронут, однако выявленные у обычных животных биохимические изменения в синапсах во время него не наблюдались.

После этого у обычных и генномодифицированных мышей вызвали условный рефлекс страха, нанеся удар током в определенном помещении. После сна животных переносили в это помещение, и все они демонстрировали страх, замирая на месте. При переносе в другое помещение обычные мыши переставали бояться, а лишенные Homer1a продолжали демонстрировать страх. Такой же эффект наблюдался, если обычным животным перед сном вводили ингибитор mGluR1/5-рецепторов, также препятствующий ослаблению синаптических связей во сне. По мнению ученых, блокирование этого процесса приводило к формированию чрезмерно интенсивных воспоминаний, которые заставляли животных испытывать страх вне зависимости от наличия условного раздражителя (помещения, где они получили удар током).

Полученные результаты служат весомыми аргументами в поддержку гипотезы синаптического гомеостаза, однако сторонние исследователи предупреждают, что необходимо осторожно подходить к их интерпретации. Так, например, Маркус Шмидт (Markus Schmidt) из Института медицины сна Огайо отметил, что работы не дают ответа на вопрос, является ли ослабление синапсов основной причиной существования сна, или лишь одним из многих происходящих во время него процессов.

Недавно американо-японский научный коллектив выяснил, что в регуляции быстрого и медленного сна принимают участие разные гены. Для медленного сна ключевую роль играла протеинкиназа SIK3, а для быстрого — ионный канал NALCN.

Ранее американские антропологи показали, что люди отличаются от других приматов недолгим, но «качественным» сном, который оставляет больше времени на освоение новых навыков. Другой научный коллектив обнаружил, что недостаток сна нарушает адаптацию к изменяющимся обстоятельствам и мешает учитывать поступающую обратную связь, а это, в свою очередь, может приводить к принятию нерациональных решений, особенно в критических ситуациях.

Олег Лищук