Известная и конкурирующая теория заключается в том, что сон важен для восстановления баланса активности в сетях мозга, которые были нарушены во время обучения в бодрствующем состоянии. Такое «ребалансирование» мозговой активности включает механизмы гомеостатической пластичности, которые были впервые обнаружены в Университете Брандейса и были тщательно изучены рядом лабораторий Брандейса, включая лабораторию профессора биологии Брандейса Джины Турриджано.
Итак, исследование лаборатории, только что опубликованное в журнале Cell, показывает, что эти гомеостатические механизмы действительно управляются сном и бодрствованием, но в противоположном направлении, чем предполагалось ранее: восстановление гомеостатического баланса мозга происходит исключительно, когда животные бодрствуют, и подавляется спать.
Эти открытия поднимают интригующую возможность того, что различные формы пластичности мозга – например, те, которые участвуют в консолидации памяти и те, которые участвуют в восстановлении баланса гомеостаза – должны быть временно отделены друг от друга, чтобы предотвратить вмешательство.
Требование, чтобы нейроны тщательно поддерживали среднюю частоту возбуждения, подобно тому, как термостат в доме измеряет и поддерживает температуру, давно было выдвинуто вычислительной работой. Без гомеостатического («термостатического») контроля скорости возбуждения модели нейронных сетей не могут обучаться и дрейфовать в состояниях эпилепсического насыщения или полного покоя.
Большая часть работы по обнаружению и описанию возможных механизмов по-прежнему проводится в компании Brandeis. В 2013 году лаборатория Turrigiano представила первые in vivo доказательства гомеостаза скорости возбуждения в мозге млекопитающих. Члены лаборатории регистрировали активность отдельных нейронов в зрительной коре головного мозга свободно ведущих крысят в течение 8 часов в день в течение девятидневного периода, в течение которого зрение через один глаз было закрыто.
Первоначально активность нейронов снизилась, но в течение следующих четырех дней частота возбуждения вернулась к базальному уровню, несмотря на визуальную окклюзию.
По сути, эти эксперименты подтвердили то, о чем давно подозревали – активность нейронов в неповрежденном мозге действительно регулируется гомеостатически.
Благодаря уникальной возможности изучить фундаментальный механизм пластичности мозга у необузданного животного, лаборатория изучает возможность пересечения между поведением животного и гомеостатической пластичностью. Чтобы по-настоящему оценить возможные циркадные и поведенческие влияния на гомеостаз нейронов, необходимо было фиксировать весь 9-дневный эксперимент, а не оценивать моментальные снимки каждого дня.
Для этой работы Turrigiano Lab пришлось найти творческие вычислительные решения для записи большого количества терабайт данных, необходимых для непрерывного отслеживания активности отдельных нейронов в течение более 200 часов.
В конечном итоге эти данные показали, что гомеостатическая регуляция активности нейронов в коре головного мозга контролируется состояниями сна и бодрствования. По неожиданному и непредсказуемому повороту гомеостатическое восстановление активности происходило почти исключительно во время периодов активности и подавлялось во время сна. Предыдущие прогнозы либо не принимали во внимание поведенческое состояние, либо сон объяснял гомеостаз.
Наконец, лаборатория установила доказательства причинной роли активного бодрствования путем искусственного увеличения естественных периодов бодрствования во время гомеостатического восстановления.
Когда животных не давали спать, гомеостатическая пластичность еще больше усиливалась.
Это открытие открывает двери в новую область понимания поведенческих, экологических и циркадных влияний на механизмы гомеостатической пластичности в мозге.
Вот некоторые из ключевых вопросов, на которые сразу же нужно ответить:
Что такого в сне, что препятствует проявлению гомеостатической пластичности?
Как это возможно, что механизмы, требующие сложных паттернов транскрипции, трансляции, передачи и модификации, могут быть модулированы в короткие сроки поведенческих переходов состояний у грызунов??
И, наконец, насколько обобщаемым является этот вывод? Поскольку гомеостаз двунаправлен, требует ли сдвиг в противоположном направлении бодрствования или изменение знака допускает новые правила выражения??