Длительность и частота сна зависят от массы тела

Нейрофизиология сна изучена у немногих видов: это человек, крыса, мышь и кошка. Эндрю Филипс (Andrew Phillips) и его коллеги из Университета Сиднея (University of Sydney) использовали эти данные, чтобы создать математическую модель, которая, как они считают, годится для всех, хотя все животные спят по-разному. Один раз в сутки спят только приматы, в том числе человек (зато долго). Все остальные делают это несколько раз в день. А киты и дельфины спят то одним, то другим полушарием мозга по очереди.

Мозговые сонники и будильники

Основные структуры мозга, контролирующие переход от бодрствования к сну и обратно, это моноаминергические ядра ствола мозга и вентролатеральная преоптическая (то есть нижняя боковая передняя) область гипоталамуса (в дальнейшем будем называть ее просто гипоталамусом). Первая зона мозга активирует кору больших полушарий, а вторая тормозит. Сам гипоталамус получает два типа сигналов: циркадные -- от структур, задающих суточные ритмы, и гомеостатические (накапливает вызывающие сон вещества). Наиболее известное сомногенное вещество -- аденозин, его роль в циклах сна уже описана, но есть и другие. Математическая модель описала нейроны моноаминергических ядер ствола, нейроны преоптической области гипоталамуса, а также сигналы, получаемые этими нейронами от других областей мозга, и сигналы, подаваемые ими в кору. В модель ученые заложили, например, величину потенциала нейронов одной и другой областей в покое, величину импульсной активности нейронов в активном состоянии, концентрацию сомногенных веществ и др.

Математика сна

При помощи модели биологи увидели, как соотносятся между собой разные показатели сна, и проверили ее на 17 видах млекопитающих. Данные по структуре их сна авторы модели взяли из литературных источников. Количество эпизодов сна в сутки и длительность сна расположились в одной системе координат с двумя параметрами.

Первый -- так называемая гомеостатическая временная константа, которая зависит от того, как быстро во время бодрствования в мозге накапливаются сомногенные вещества и как быстро во время сна они исчезают. Ее вычисляют по времени, которое требуется организму, чтобы восстановиться после лишения сна. Для человека константа составляет 45 часов, для собак и кошек -- 16 часов, а для грызунов -- еще меньше. Это значит, что аденозин и другие сомногенные вещества в мозге человека накапливаются медленнее, чем в мозге крысы, поэтому он дольше может не спать. Но во время сна его мозг медленнее освобождается от этих веществ, поэтому человеку требуется восемь часов непрерывного сна, а крысе -- меньше часа. На продолжительность сна в течение суток влияет другой параметр -- тормозящие влияния на гипоталамус. Чем сильнее эти внешние влияния, тем короче сон, который гипоталамус может обеспечить.

Сони и наоборот

Применив модель, биологи получили данные о суточной структуре сна разных зверей. Человек, а также макака-резус и толстый лори, как все приматы, спят один раз в сутки, зато долго. Слон, собака, кошка, ягуар -- два-три раза. Лиса, крот, броненосец, землеройка -- шесть-десять раз. Наконец, мышь, крыса, белка, шиншилла, хомяк и опоссум засыпают более десяти раз в сутки. Суточное количество сна также различается: слону хватает трех-пяти часов, а самым большим соням -- опоссуму и броненосцу требуется до восемнадцати-девятнадцати часов. Модельные данные совпали с фактами, полученными при наблюдениях за этими животными.

Меньше весишь -- больше спишь

Далее ученые приводят математические выкладки, которые связывают гомеостатическую временную константу с гораздо более простыми и удобными вещами. Они предположили, что количество синтезируемых сомногенных веществ зависит от размера мозга, а размер мозга с определенным коэффициентом зависит от размера тела и скорости метаболизма. В итоге эта самая гомеостатическая временная константа оказалась связана с массой. Грубо говоря, крупные животные спят меньше и реже, а мелкие -- часто, коротко, но в целом много.

На графике изученные виды млекопитающих хотя и приблизительно, но выстраиваются вдоль линии корреляции. Кроме приматов -- человек, макака-резус и толстый лори, несмотря на разную массу тела, имеют одинаковую константу. Возможно, говорят авторы, они не вписываются в общую картину из-за развитого мозга.

Биологи считают, что в модель укладывается и однополушарный сон китов и дельфинов. Как известно, они никогда не спят всем мозгом одновременно, а только попеременно то одним, то другим полушарием. Это им необходимо для того, чтобы не утонуть во время сна на воде. Модель, говорят авторы, работает и на одном полушарии, поскольку ядра гипоталамуса есть как справа, так и слева. Когда правые ядра активны, они посылают левым тормозные сигналы, и наоборот.

Авторы сонной модели утверждают, что теперь могут вычислить структуру сна любых животных, в том числе птиц и рептилий. Результаты работы они опубликовали в журнале PLoS Computational Biology.