На протяжении многих лет ученые выдвигали гипотезы о том, почему мы спим. Некоторые уверены, что это способ экономии энергии, другие – что он дает возможность «расчистить клеточные отходы» от деятельности мозга. Есть версия, что сон просто заставляет животных лежать неподвижно, позволяя им прятаться от хищников. Недавно исследователи представили доказательства для другой теории: мы спим, чтобы забыть часть той информации, которую узнаем каждый день.
Для того, чтобы узнать и усвоить что-то новое, в головном мозге должны устанавливаться многочисленные связи между нейронами – синапсы. Эти соединения позволяют отправлять и передавать сигналы друг другу быстро и эффективно, и все воспоминания, которые у нас есть, хранятся в таких сетях.
В 2003 году Джулио Тонони (Giulio Tononi) и Кьяра Сирелли (Chiara Cirelli), биологи из Висконсинского университета в Мадисоне, предположили, что синапсы так бурно растут в течение дня, что мозг пытается урезать эти соединения во время сна. В дальнейшем ученые Тонони и Сирелли, наряду с другими исследователями, нашли много косвенных доказательств, которые поддерживали разработанную ими гипотезу синаптического гомеостаза.
В ходе различных экспериментов ученые выяснили, что нейроны могут подрезать синапсы – по крайней мере, в лабораторных условиях. С помощью различных препаратов исследователи стимулировали рост лишних синапсов, что заставило пучки нейронов самостоятельно урезать некоторые отростки.
В качестве еще одного доказательства этой теории учитываются электрические волны, которые излучает мозг. Во время глубокого сна, эти волны уменьшаются. Тонони и Сирелли тогда утверждали, что к таким изменениям приводят сокращения синапсов.
Исследования Тонони и Сирелли показали, что даже короткие периоды сна или бодрствования изменяют синаптическую активность на разных уровнях, то есть заставляют синапсы сокращаться и расти соответственно. Их последняя работа демонстрирует, что повсеместное уменьшение синапсов происходит в мозге мышей, когда они спят.
С 2013 года их коллега, Луиза де Виво (Luisa de Vivo), проводила кропотливое исследование тканей, взятых у мышей в момент, когда некоторые из которых спали, а другие – бодрствовали. Она использовала технику сканирующей электронной микроскопии, чтобы создать трехмерные изображения высокой четкости 6920 синаптических связей в двух разных областях головного мозга – задача, на решение которой потребовалось более четырех лет.
Трехмерный снимок дендритных отростков в коре головного мозга мыши
Исследователи изучили тысячи изображений, чтобы вычислить общую площадь поверхности контакта между нервными окончаниями и дендритными отростками – крошечными выступами, которые служат на синапсах в качестве приемника. Они интересны тем, что разрастаются в тот момент, когда укрепляются синаптические связи. В мозге спящих мышей площадь поверхности контакта оказалась на 18% меньше, чем у бодрствующих. Другими словами, наблюдалось общее снижение числа синаптических соединений. Снижение оказалось неоднородным и ограничивалось небольшими отростками, которые предположительно были вовлечены в обучение.
Другое исследование возглавил Грэм Дайринг (Graham Diering), ученый из Университета Джонса Хопкинса. Доктор Дайринг и его коллеги проверяли гипотезу синаптического гомеостаза, изучая белки в мозге мыши. В одном из экспериментов они создали крошечное отверстие, через которое можно было заглянуть в мозг. Затем добавили химическое вещество, которое подсвечивает белок на поверхности синапсов.
В результате команда Дайринга обнаружила, что сон связан с уменьшением размера дендритных отростков, а также c 20-процентным сокращением субъединиц молекулы АМРА-рецептора, которые исчезали из уменьшенных дендритов. Когда мыши просыпаются, синаптический каркасный белок Homer связывает другие рецепторы и их молекулярных «партнеров» воедино и удерживает их вместе в синапсах под клеточной мембраной. Во время сна сокращенный вариант этого белка Homer1A входит в дендриты и разбирает на части всю систему и удаляет АМРА-рецепторы, ослабляя соединение.
Ученые также создали генетически модифицированных мышей, лишенных гена Homer1A. Эти животные спали так же, как и их однопометные собратья, но их синапсы не изменяли их белки, как это делали синапсы у обычных мышей. Исследование доктора Дайринга предполагает, что сонливость вызывают нейроны, которым необходимо производить Homer1A и направить его на синапсы, чтобы их обрезать.
Чтобы увидеть, как эти срезы влияют на память, ученые провели ряд тестов. Они поместили мышей в комнату, где те получали слабый заряд электрического тока, если они шли по одному участку пола. В ту же ночь команда исследователей вводила химическое вещество, мешающее нейронам обрезать синапсы, в мозг некоторых мышей.
На следующий день мышей вернули обратно в ту же камеру. Обе группы мышей провели большую часть времени неподвижно, так как помнили, что за движением последует удар тока. Но когда исследователи поместили их в другую камеру, они увидели большую разницу. Те мыши, чей мозг не подвергнулся ночью воздействию препарата, обнюхивали помещение с любопытством, в то время как мыши с необрезанными синапсами замерли снова. Доктор Дайринг считает, что мыши из второй группы не смогли сузить свои воспоминания до конкретной камеры, где они получили удар тока. Без ночной обрезки их воспоминания оказались нечеткими.
Последующие опыты Тонони и его коллег продемонстрировали, что процедуру отсечения проводит не каждый нейрон – примерно одна пятая часть синапсов остается нетронутой. Существует предположение, что эти синапсы кодируют «хорошо зарекомендовавшие себя» воспоминания, которые не должны быть изменены.
Некоторые ученые не считают эти результаты доказательством гипотезы синаптического гомеостаза. Трудно сказать, вызваны ли эти изменения в мозге сном или биологическими часами. Кроме того, нельзя однозначно сказать, что сон существует только потому, что мозг может подрезать синапсы во время этого процесса.
Несмотря на все сомнения, новые данные могут изменить взгляд на то, как действуют, например, снотворные на мозг человека. В то время, когда они помогают людям заснуть, они могут вмешиваться в процесс обрезки нейронов, необходимый для формирования воспоминаний. В будущем молекулы препаратов можно будет точно ориентировать таким образом, чтобы синапсы были правильно подрезаны.
