Мозг чистится сном

Поведение мухи дрозофилы, по мнению ученых, очень похоже на людей. Особенно если речь идет о сне. Например, мухи и люди, лишенные сна, стараются восполнить эту потерю. И стараются поспать побольше на следующий день.

Сон также давно считается покровителем обучения. В ряде экспериментов исследователи обнаружили, что запоминание лучше происходит, если мозг после интенсивной учебы отдыхает.

Конечно, человеческий мозг устроен намного сложнее, чем у дрозофилы. Поэтому нейробиолог Пол Шоу (Paul Shaw) из медицинского факультета Университета штата Вашингтон в Сент-Луисе (Washington University School of Medicine in St. Louis) решил провести эксперименты по изучению сна и памяти именно на простых плодовых мушках.

Как дрозофил личной жизни лишали

Результаты первого эксперимента, на который исследователя вдохновили коллеги, показали, что обогащенная окружающая среда помогает улучшить память и другие функции мозга. Американец поместил подопытных мух в расширенную социальную среду -- они жили в пробирке с большим количеством соседей. Выяснилось, что обитатели «коммуналки» спали на два-три часа больше, чем их одинокие собратья.

Во втором эксперименте самцам дрозофил предложили спариться с самками. Но не просто так: особи, которых к ним подсадили, были уже оплодотворены или вовсе оказались самцами, которых ученые заставили выделять женские феромоны. В итоге подопытных самцов в любом случае отвергали.

Неудачливых самцов изолировали на два дня, дали отдохнуть, а потом подсадили к самкам, готовым к спариванию. Но наученные горьким опытом самцы даже не пытались заигрывать с соплеменницами. Наоборот, они спали -- и больше, чем обычно.

Шоу предположил, что мухи «закодировали» воспоминания о своем предшествующем опыте во сне. Чем показали связь между сном и образованием новых воспоминаний.

Как подсмотреть за нейронами

Чтобы подтвердить свою версию, ученый повторил исследование. Правда, на этот раз Шоу использовал генетически измененных мух, на которых можно отследить развитие новых синаптических связей. Его команда выяснила, что из 200 тыс. клеток мозга дрозофил только 16 требовалось для формирования новых воспоминаний. И эти нейроны -- боковые брюшные, которые входят в циркадную систему. Она в свою очередь помогает мухе выполнять определенные действия в определенное время суток.

Когда мухи спали, количество синапсов, сформированных во время жизни в «коммуналке», уменьшилось. Когда исследователи лишали мух сна, снижения количества синапсов не происходило.

Ученые идентифицировали три гена, отвечающие за связь между обучением и увеличением потребности во сне. У мух, которые испытывали недостаток в любом из этих трех генов, не возникало потребности спать дольше после социальных контактов или попыток спаривания.

Муха тоже человек

Один из трех найденных генов, который назвали blistered, оказался эквивалентом человеческому гену, известному как фактор серологического ответа (serum response factor, SRF). Его связывали с нейропластичностью -- способностью мозга повторно переключать связи, чтобы приспособиться к травме или изменению потребностей нервной системы. При помощи этого свойства мозга происходят процессы обучения и запоминания.

Шоу с коллегами выяснили, что в отличие от других генов, которые участвуют в процессе нейропластичности, SRF никак не связан с гибелью клеток. А только с образованием новых синаптических связей между ними.

Исследователи планируют и дальше проверять связи между сном и памятью. Особенно их интересует, почему рост числа синаптических связей вызывает потребность во сне. «Есть много причин, по которым мозг не может бесконечно плодить синапсы, включая размер черепа, -- рассказывает Шоу. -- Пока мы обнаружили создание новых синапсов и снижение их числа во время сна». Теперь ученым осталось понять, действительно ли в мозге в это время запускается процесс самоочищения.

Бессонные опыты над людьми

Рабочая группа из Бостона с мушками не возилась, хотя тоже исследовала роль сна в процессах запоминания. Ученые выбрали 28 добровольцев-людей и разделили их на две группы. Первой пришлось не спать всю ночь, поддерживая бодрость интернет-серфингом или компьютерными играми, а вторая группа спокойно спала восемь часов. Утром всем испытуемым пришлось просмотреть 150 разных изображений. В это время нейрофизиологи сканировали их мозг при помощи функционального магнитно-резонансного томографа (фМРТ).

Затем «страдальцев за науку» на два дня отпустили отдыхать. На третий день добровольцев снова собрали и показали им 250 картинок, из которых требовалось выбрать просмотренные в первый день. В это время их мозг снова просканировали.

Невыспавшиеся испытуемые узнали 74% картинок, а те, кто спал, опознали 86% изображений.

Во время первого просмотра при помощи фМРТ ученые обнаружили, что у тех, кто не спал ночь, значительно снизилась активность в гиппокампе. В этом отделе мозга, чем-то напоминающем морского конька, происходят отдельные процессы, участвующие в запоминании. По словам авторов исследования, похожую картину они наблюдали в исследовании стресса у мышей. Вероятно, похожий на стресс механизм может действовать на ухудшение памяти у тех, кто недосыпает.

Хотя ученым еще предстоит многое выяснить, они уже готовы давать советы. «Сейчас много людей волнуются из-за кризиса и потери рабочих мест. И некоторые просто теряют сон от волнения, -- говорит Пол Шоу, -- но лучшее, что вы можете сделать, чтобы остаться работоспособным и нужным, это хорошо высыпаться».

Результаты работы Шоу опубликованы в журнале Science.