У медуз обнаружили способность ко сну
Необходимость во сне могла появиться до развития центральной нервной системы. К такому выводу пришли американские ученые, изучавшие поведение медуз. Исследователи обнаружили, что в ночное время медузы входят в состояние покоя, или попросту спят. Статья опубликована в журнале Current Biology.
Сон — одна из фундаментальных физиологических потребностей развитых организмов, необходимая для поддержания их внутреннего состояния. Нейроны, отвечающие за сон, имеются не только у млекопитающих, но также у рыб, насекомых и круглых червей, из чего многие ученые сделали вывод, что необходимость во сне возникла в процессе эволюции как результат развития центральной нервной системы (даже самой простой). Теперь, однако, появились доводы в пользу того, что способность ко сну есть и у особей, не имеющих ЦНС.
Авторы нового исследования изучили необходимость во сне на примере кассиопеи (лат. Cassiopea spp.) — небольшой медузы, которая известна тем, что живет в «перевернутом» состоянии (щупальцами кверху) на океанском дне. Медуз (всего их было 23) держали в аквариумах, которые освещались в соответствии с 24-часовым дневным циклом (12 часов света и 12 часов темноты). Наблюдения происходили в течение шести дней.
Так как данный вид медуз характеризуется практически полным отсутствием физической активности (они почти не плавают), в качестве основного показателя активности учитывались сокращения тела, которые необходимы этим особям для жизнеобеспечения. С помощью этих сокращений медуза получает питательные вещества извне, а также выпускает отходы. Ученые предположили, что уменьшение количества сокращений будет указывать на то, что медуза находится в состоянии покоя. Состояние покоя в определенное время суток (а именно ночью при отсутствии освещения) будет указывать на то, что медуза находится в состоянии сна.
Ученые обнаружили, что количество сокращений уменьшается на 32 процента в ночное время по сравнению с дневным. Активность медуз уменьшалась в течение первых трех-шести часов после наступления темноты.
Кассиопеи в своей привычной среде обитания предпочитают твердые поверхности и живут на дне. Поэтому при попадании в аквариум они спешат занять привычное для них место. Исследователи предположили, что реакция «спящих» медуз будет замедлена, из-за чего им понадобится больше времени для того, чтобы достигнуть дна в ночное время. Для того чтобы проверить это, ученые поднимали медуз к поверхности аквариума, а затем отпускали их и следили за временем первого сокращения и временем, которое понадобится животным, чтобы достигнуть дна.
Результаты эксперимента показали, что реакция животных в ночное время была замедлена: они тратили в среднем на пять секунд больше времени, чтобы достигнуть дна, а первое сокращение происходило на три секунды позже, чем в дневное время.
После этого ученые проследили за медузами, которые были лишены «сна» в ночное время. Для этого они в течение шести часов ночного времени каждые 20 минут пускали в направлении животных струи воды. Тела медуз в ответ на раздражитель начинали интенсивно сокращаться. В течение следующего дня, однако, количество сокращений было меньше на 12 процентов по сравнению с показателями обычного дневного времени. Это позволило ученым сделать вывод о том, что лишенные ночного отдыха медузы проявляют «усталость» во время последующего дня.
Чтобы убедиться в том, что такая «усталость» была вызвана именно отсутствием отдыха в ночное время, а не интенсивными физическими нагрузками, ученые повторили эксперимент в дневное время и не обнаружили различий в активности до и после. Таким образом, ученые выяснили, что ночной отдых необходим медузам для гомеостаза — саморегуляции внутреннего состояния (в данном случае — регуляцию активности, необходимой для жизнеобеспечения).
Наконец, для того чтобы выяснить, зависит ли сон медуз от их циркадных ритмов (внутренней смены дня и ночи), ученые повторили наблюдение в течение 36 часов при постоянном освещении или его отсутствии. Исследователи не обнаружили циркадной регуляции сна при постоянном освещении, но нашли ее при полной темноте — это означает, что сон медуз отчасти регулируется «внутренними» часами.
Полученные результаты позволили ученым сделать вывод о том, что необходимость во сне появилась на этапе эволюции, который предшествовал развитию центральной нервной системы. Однако несмотря на то, что реакция медуз на внешние раздражители и другие факторы указывала на то, что они находились в состоянии покоя, сделать точные выводы о том, что эти животные действительно спят, можно только проследив за их активностью на клеточном уровне. Этим ученые и планируют заняться в своих будущих исследованиях.
Недавно ученые обнаружили группу ингибирующих нейронов, отвечающих за сон, в мозге мышей. Об изучении фундаментальных аспектов сна на примере круглых червей вы также можете прочитать в нашем блоге.
Елизавета Ивтушок
Это произошло после формирования нейронной связи между клетками циркадных часов и Dh44-нейронами
Биологи определили момент, в который циркадные часы начинают управлять циклами сна и бодрствования у личинок плодовых мушек. Оказалось, это происходит в начале третьего дня развития под влиянием новой связи между нейронами циркадных часов и клетками Dh44, которые контролируют бодрствование личинок. Кроме того, после формирования этой связи у личинок появилась долгосрочная память. Исследование опубликовано в журнале Science Advances. Циркадные ритмы у многих видов формируются еще на самых ранних этапах развития. Так, например, у млекопитающих клетки супрахиазматического ядра детеныша синхронизируют свою ритмическую активность еще во время беременности. Однако многие матери новорожденных могут подтвердить, что дети в этом возрасте редко спят ночью и бодрствуют днем — в основном их сон равномерно распределен по суткам. Исследования подтверждают, что циклы сна и бодрствования у младенцев чаще всего появляются от трех до двенадцати месяцев. До сих пор не было понятно, почему, несмотря на работу клеток циркадных часов, циклы сна и бодрствования формируются довольно поздно и как этот процесс влияет на другие функции мозга — например, долговременную память. Исследователи из университета Пенсильвании под руководством Эми По (Amy R. Poe) изучили аналогичный процесс на дрозофилах. Биологи отследили момент, в который у личинок мушек появляются циклы сна и бодрствования — это произошло в начале третьего дня развития. Чтобы понять, что именно происходит с циркадными ритмами в этот момент, исследователи изучили активность нейронов мозга у личинок. Прежде всего они проверили нейроны, которые производят нейропептид Dh44, поскольку они расположены в области циркадных часов у взрослых мушек.Для этого они создали трансгенных насекомых, у которых эти клетки синтезировали теплочувствительный ионный канал. Таким образом, когда личинок помещали в теплую среду, в Dh44-нейронах начинался ионный ток и те активировались. Оказалось, что эти клетки действительно участвуют в регуляции циклов сна: после их активации личинки на второй стадии меньше спали в течение суток (p < 0,0001). Тогда исследователи решили изучить, как активность этих клеток меняется при переходе со второй стадии личинок на третью — в момент появления ритмов сна. Оказалось, активность Dh44 не отличается на первой и второй стадии, но снижается в начале третьей. Это согласовывалось и с повышенным количеством сна у личинок в этот день: активность нейронов снизилась и они перестали оказывать свое бодрящее действие на личинок. Биологи предположили, что в этот момент Dh44-нейроны связываются с клетками, которые задают общий циркадный ритм организму мушек. Для этого они отследили нейронные связи этого мозгового центра. И действительно, при переходе со второй стадии на третью Dh44-нейроны сформировали связь с одной из клеток часов — DN1a. Ученые также подтвердили, что активация DN1a действительно «включает» Dh44 и увеличивает длительность бодрствования у личинок. Тогда исследователи решили проверить, как появление связи циркадных ритмов с циклами сна и бодрствования влияет на другие процессы в мозге насекомых. Зная, что переход памяти из кратковременной в долговременную происходят во время сна, биологи протестировали оба типа памяти у животных. Для этого они использовали стандартный для таких задач тест — проверяли, как личинки запоминают отвратительные запахи. И на второй, и на третьей стадии личинки одинаково хорошо проходили тесты на кратковременную память, а вот долговременная память появилась лишь при переходе между ними. При этом активация Dh44-нейронов, которые снижали количество сна у личинок, нарушала процессы долговременной памяти. Так, биологи не только в подробностях описали, как клетки циркадного ритма начинают контролировать циклы сна и бодрствования, но и показали, что этот процесс очень важен для развития таких сложных когнитивных функций как долговременная память. Сон и память действительно тесно связаны — депривация сна способна даже стирать воспоминания. Недавно мы писали об исследовании, в котором такие воспоминания удалось восстановить у мышей.