Под руководством исследователей из Университета штата Вашингтон Элсон С. Флойд, медицинский колледж, исследование дает новый импульс к окончательному раскрытию тайны того, почему мы спим и как сон работает в мозгу. Это открытие может также заложить основу для потенциальных будущих стратегий лечения нарушений сна, неврологических заболеваний и других состояний, связанных с нарушением сна, таких как посттравматическое стрессовое расстройство, депрессия, болезнь Альцгеймера и расстройство аутистического спектра.
«Все, что мы знаем о сне, в значительной степени основано на нейронах», – сказала ведущий автор и научный сотрудник постдокторского исследования Эшли Ингиози. Она объяснила, что нейроны общаются посредством электрических сигналов, которые можно легко уловить с помощью электроэнцефалографии (ЭЭГ). Астроциты – тип глиальных (или «клеевых») клеток, которые взаимодействуют с нейронами – не используют электрические сигналы, а вместо этого используют процесс, известный как передача сигналов кальция, для контроля своей активности.
Долгое время считалось, что астроциты, число которых может превосходить число нейронов в пять раз, просто выполняли вспомогательную роль без какого-либо прямого участия в поведении и процессах. Нейробиологи только недавно начали внимательнее изучать свою потенциальную роль в различных процессах. И хотя несколько исследований показали, что астроциты могут играть роль во сне, надежные научные инструменты для изучения их активности кальция не были доступны до недавнего времени, сказал Ингиози.
Чтобы глубже изучить роль астроцитов во сне, она и ее соавторы использовали модель грызунов для записи активности кальция астроцитов во время сна и бодрствования, а также после недосыпания. Они использовали флуоресцентный индикатор кальция, который был отображен с помощью крошечных налобных микроскопов, которые смотрели прямо в мозг мышей, когда они двигались и вели себя так, как обычно. Этот индикатор позволил команде увидеть, как флуоресцентная активность, вызванная кальцием, мигает в астроцитах во время сна и бодрствования.
Их единственная в своем роде методология с использованием этих миниатюрных микроскопов позволила команде провести первое в истории исследование кальциевой активности астроцитов во сне у свободно ведущих животных.
Исследовательская группа намеревалась ответить на два основных вопроса: изменяются ли астроциты динамически во время сна и бодрствования, как это делают нейроны?? И играют ли астроциты роль в регулировании потребности во сне, нашего естественного стремления ко сну??
Глядя на астроциты во фронтальной коре, области мозга, связанной с измеримыми изменениями на ЭЭГ потребности во сне, они обнаружили, что активность астроцитов динамически изменяется в течение цикла сна-бодрствования, как и нейроны. Они также наблюдали наибольшую активность кальция в начале фазы отдыха, когда потребность во сне наибольшая, и наименьшую активность кальция в конце фазы тестирования, когда потребность во сне исчезла.
Затем они не давали мышам спать в течение первых 6 часов их нормальной фазы отдыха и наблюдали за изменением активности кальция параллельно с медленноволновой активностью ЭЭГ во сне, ключевым показателем потребности во сне.
То есть они обнаружили, что лишение сна вызывает повышение активности кальция астроцитов, которое снижается после того, как мышам разрешили спать.
Их следующий вопрос заключался в том, повлияет ли генетическое изменение активности кальция астроцитов на регуляцию сна. Чтобы выяснить это, они изучили мышей, у которых избирательно отсутствовал белок, известный как STIM1, в астроцитах, что уменьшало количество доступного кальция.
После недосыпания эти мыши не спали так долго и не становились такими же сонными, как нормальные мыши, когда-то разрешенные спать, что еще раз подтвердило более ранние результаты, предполагающие, что астроциты играют важную роль в регулировании потребности во сне.
Наконец, они проверили гипотезу о том, что, возможно, кальциевая активность астроцитов просто отражает электрическую активность нейронов. Исследования показали, что электрическая активность нейронов становится более синхронизированной во время медленного сна и после депривации сна, но исследователи обнаружили, что для астроцитов верно обратное: активность кальция становится менее синхронизированной во время медленного сна и после депривации сна.
«Это указывает на то, что астроциты не просто пассивно следуют за нейронами», – сказал Ингиози. "И поскольку они не обязательно демонстрируют те же модели активности, что и нейроны, это может фактически указывать на более прямую роль астроцитов в регулировании сна и потребности во сне."
По словам Ингиози, необходимы дополнительные исследования для дальнейшего раскрытия роли астроцитов в сне и регуляции сна. Она планирует изучить активность кальция астроцитов в других частях мозга, которые, как было доказано, важны для сна и бодрствования.
Кроме того, она хотела бы изучить взаимодействие астроцитов с различными нейротрансмиттерами в головном мозге, чтобы выявить механизм, с помощью которого астроциты могут стимулировать сон и потребность во сне.
«Результаты нашего исследования показывают, что мы, возможно, искали не в том месте более 100 лет», – сказал старший автор и профессор биомедицинских наук Маркос Франк. "Это убедительное доказательство того, что мы должны нацеливаться на астроциты, чтобы понять, почему и как мы спим, а также для разработки методов лечения, которые могут помочь людям с нарушениями сна и другими состояниями здоровья, которые связаны с нарушениями сна."
Поддержка исследования поступила от Национального института здоровья.