Однако полное длительное недосыпание может быть фатальным. Хотя об этом сообщалось у людей лишь от случая к случаю, широко цитируемое исследование на крысах, проведенное учеными из Чикаго в 1983 году, показало, что полное недосыпание неизбежно приводит к смерти. Тем не менее, несмотря на десятилетия исследований, главный вопрос остается нерешенным: почему животные умирают, когда не спят?
Теперь нейробиологи Гарвардской медицинской школы выявили неожиданную причинную связь между недосыпанием и преждевременной смертью. В исследовании недосыпающих плодовых мух исследователи обнаружили, что смерти всегда предшествует накопление в кишечнике молекул, известных как реактивные окислительные формы (АФК).
Когда плодовым мушкам давали антиоксидантные соединения, которые нейтрализовали и выводили АФК из кишечника, недосыпающие мухи оставались активными и имели нормальную продолжительность жизни. Дополнительные эксперименты на мышах подтвердили, что АФК накапливаются в кишечнике при недостатке сна.
Результаты, опубликованные в Cell 4 июня, предполагают возможность того, что животные действительно могут выжить без сна при определенных обстоятельствах. По словам авторов, полученные результаты открывают новые возможности для изучения всех последствий недостаточного сна и могут когда-нибудь послужить основой для разработки подходов к противодействию его пагубному воздействию на людей.
«Мы проявили беспристрастность и искали по всему телу признаки повреждения от недосыпания. Мы были удивлены, обнаружив, что именно кишечник играет ключевую роль в возникновении смерти ", – сказала старший автор исследования Драгана Рогуля, доцент кафедры нейробиологии в Институте Блаватника в HMS.
"Что еще более удивительно, мы обнаружили, что преждевременную смерть можно предотвратить. Каждое утро мы все собирались вокруг, чтобы посмотреть на мух, если честно, с недоверием.
Мы увидели, что каждый раз, когда мы могли нейтрализовать АФК в кишечнике, мы могли спасти мух ", – сказал Рогуля.
Ученые долгое время изучали сон – явление, которое кажется фундаментальным для жизни, но во многих отношениях остается загадочным.
Почти все известные животные спят или проявляют ту или иную форму поведения, похожего на сон. Без достаточного количества этого наступают серьезные последствия.
У людей хронический недостаток сна ассоциируется с сердечными заболеваниями, диабетом 2 типа, раком, ожирением, депрессией и многими другими состояниями.
Предыдущие исследования показали, что длительное полное ограничение сна может привести к преждевременной смерти на животных моделях. В попытках ответить на вопрос, как недосыпание приводит к смерти, большинство исследований было сосредоточено на мозге, откуда берет начало сон, но ни одно из них не дало убедительных результатов.
Накопление в кишечнике
Во главе с соавторами исследования Александрой Ваккаро и Йосефом Каплан Дор, научными сотрудниками по нейробиологии в HMS, команда провела серию экспериментов на плодовых мушках, которые имеют много общих генов, регулирующих сон, с людьми, чтобы найти признаки повреждения. вызвано недосыпанием по всему телу. Чтобы контролировать сон, исследователи использовали инфракрасные лучи, чтобы постоянно отслеживать движение мух, размещенных в отдельных трубках.
Они обнаружили, что мухи могут уснуть из-за физической тряски, поэтому команда обратилась к более изощренным методам. Они генетически манипулировали плодовыми мушками, чтобы они экспрессировали термочувствительный белок в определенных нейронах, активность которых, как известно, подавляет сон.
Когда мух содержали при температуре 29 ° C (84 ° F), белок заставлял нейроны оставаться постоянно активными, тем самым не давая мухам спать.
После 10 дней лишения сна, вызванного температурой, смертность плодовых мух резко возросла, и все они погибли примерно к 20-му дню. Контрольные мухи, у которых был нормальный сон, жили примерно до 40 дней в тех же условиях окружающей среды.
Поскольку смертность увеличилась примерно на 10-й день, исследователи искали маркеры повреждения клеток в этот и предыдущие дни.
Большинство тканей, в том числе мозг, нельзя было отличить от лишенных сна и не лишенных сна мух, за одним заметным исключением.
В кишечнике недосыпающих мух резко накапливается АФК – высокореактивные кислородсодержащие молекулы, которые в больших количествах могут повредить ДНК и другие компоненты внутри клеток, что приведет к их гибели.
Накопление АФК достигло пика примерно на 10 день лишения сна, а когда депривация прекратилась, уровни АФК снизились.
Дополнительные эксперименты подтвердили, что АФК накапливаются в кишечнике только тех животных, которые испытывали длительную потерю сна, и что кишечник действительно является основным источником этих очевидно летальных АФК.
«Мы обнаружили, что лишенные сна мухи умирали с одинаковой скоростью каждый раз, и когда мы посмотрели на маркеры повреждения и гибели клеток, единственной тканью, которая действительно выделялась, был кишечник», – сказал Ваккаро. "Я помню, когда мы проводили первый эксперимент, под микроскопом можно было сразу сказать, что есть разительная разница. Этого почти никогда не бывает в лабораторных исследованиях."
Команда также изучила, происходит ли накопление АФК у других видов, используя мягкую, непрерывную механическую стимуляцию, чтобы мышей бодрствовали на срок до пяти дней. По сравнению с контрольными животными у недосыпающих мышей были повышенные уровни АФК в тонком и толстом кишечнике, но не в других органах, что согласуется с наблюдениями на мухах.
Спасение смерти
Чтобы выяснить, играют ли АФК в кишечнике причинную роль в смерти, вызванной недосыпанием, исследователи изучали, может ли предотвращение накопления АФК продлить выживаемость.
Они протестировали десятки соединений с антиоксидантными свойствами, которые, как известно, нейтрализуют АФК, и определили 11, которые в качестве пищевой добавки позволяли бессонным мухам вести нормальную или почти нормальную продолжительность жизни.
Эти соединения, такие как мелатонин, липоевая кислота и НАД, были особенно эффективны при выводе АФК из кишечника. Примечательно, что добавка не увеличивала продолжительность жизни не лишенных недостатков мух.
Роль удаления АФК в предотвращении гибели была дополнительно подтверждена экспериментами, в которых мухи подвергались генетическим манипуляциям с целью избыточного производства антиоксидантных ферментов в их кишечнике. Эти мухи имели нормальную или почти нормальную продолжительность жизни при недосыпании, чего не было у контрольных мух, у которых избыточная выработка антиоксидантных ферментов в нервной системе.
Результаты показывают, что накопление АФК в кишечнике играет центральную роль в возникновении преждевременной смерти от недосыпания, заявили исследователи, но предупредили, что многие вопросы остаются без ответа.
«Мы до сих пор не знаем, почему потеря сна вызывает накопление АФК в кишечнике и почему это смертельно», – сказал Каплан Дор. "Недостаток сна может напрямую повлиять на кишечник, но триггер также может исходить из мозга. Точно так же смерть может быть связана с повреждением кишечника или из-за того, что высокие уровни ROS имеют системные эффекты, или их комбинация."
Известно, что недостаточный сон нарушает сигнальные пути организма к голоду, поэтому команда также измерила потребление пищи плодовой мухой, чтобы проанализировать, существуют ли потенциальные связи между кормлением и смертью.
Они обнаружили, что некоторые недосыпающие мухи ели больше в течение дня по сравнению с контрольной группой, не лишенной сна. Однако ограничение доступа к пище не повлияло на выживаемость, что позволяет предположить, что здесь задействованы факторы, помимо приема пищи.
В настоящее время исследователи работают над выявлением биологических путей, которые приводят к накоплению АФК в кишечнике и последующим физиологическим нарушениям.
Команда надеется, что их работа послужит основой для разработки подходов или методов лечения, чтобы компенсировать некоторые негативные последствия недосыпания.
Каждый третий взрослый американец спит меньше рекомендованных семи часов в сутки.S. Центры по контролю и профилактике заболеваний, и недостаточный сон – нормальная часть жизни для многих людей во всем мире.
"Многие из нас хронически недосыпают.
Даже если мы знаем, что поздно ложиться каждую ночь – это плохо, мы все равно делаем это », – сказал Рогуля. «Мы считаем, что определили центральную проблему, которая, если ее устранить, позволяет выжить без сна, по крайней мере, плодовым мухам."
«Нам нужно понять биологию того, как лишение сна повреждает организм, чтобы мы могли найти способы предотвратить этот вред», – сказала она.
Исследование было поддержано New York Stem Cell Foundation, Pew Charitable Trusts и Национальными институтами здравоохранения (R73 NSO72030). Дополнительная поддержка включает долгосрочную стипендию EMBO, стипендию Fondation Bettencourt Schueller, стипендию Эдварда Р. и Энн Дж.
Постдокторская стипендия Лефлер-центра, Элис и Джозеф Э. Постдокторская стипендия Брукса и стипендия Фонда исследований в области наук о жизни.