Расшифровка эволюционного кода сна: защита нейронов прослежена до медуз и морских анемон

Новое исследование Университета Бар-Илан показывает, что одна из основных функций сна возникла сотни миллионов лет назад у медуз и морских анемон — одних из древнейших существ с нервной системой. Исследование демонстрирует, что защита нейронов от повреждения ДНК и клеточного стресса — это базовая, древняя функция сна, появившаяся задолго до эволюции сложного мозга.

Хотя сон универсален для животных с нервной системой, он создаёт очевидные риски для выживания: снижается осознание окружающей среды, что делает животных более уязвимыми для хищников и прерывает важное поведение, такое как питание и размножение. Сохранение сна в ходе эволюции оставалось загадкой. Согласно исследованию, незаменимая функция сна возникла рано и настолько важна, что перевешивает его опасности.

Методы исследования и модели животных

Исследование провели лаборатории профессора Лиора Аппельбаума и профессора Орена Леви. Ранее лаборатория Аппельбаума показала на рыбках данио, что в нейронах во время бодрствования накапливаются повреждения ДНК, и для восстановления требуется сон.

В текущем исследовании, опубликованном в Nature Communications, доктор Рафаэль Агильон, доктор Амир Хардуф и коллеги определили и охарактеризовали паттерны сна у двух древних линий животных:

• Дневные симбиотические медузы, которые спят ночью и кратко днём.
• Сумеречные несимбиотические морские анемоны, которые спят от рассвета до середины дня.

С помощью инфракрасного видеотрекинга и поведенческого анализа учёные обнаружили, что оба существа спят примерно по восемь часов в сутки. Несмотря на разный образ жизни и механизмы контроля сна, у них общий паттерн: повреждения ДНК в нейронах накапливаются во время бодрствования и снижаются во время сна. При лишении сна и увеличении повреждений ДНК животные спали дольше afterward (сон-отдача), что позволяло восстановиться.

Ключевые выводы

Исследование также показало, что увеличение повреждения ДНК (с помощью УФ-излучения или химического агента) вызывало восстановительный сон у обоих видов. И наоборот, стимуляция сна гормоном мелатонином снижала повреждения ДНК. Эти данные раскрывают двустороннюю связь: повреждение ДНК увеличивает потребность во сне, а сон, в свою очередь, способствует его снижению.

Два базовых животных также показывают, как по-разному регулируется сон. В то время как гомеостатическое давление сна (внутренняя потребность) регулирует сон у обоих видов, у медузы сон контролируется в основном циклом свет-темнота. В отличие от этого, морская анемона полагается в основном на свои внутренние циркадные часы. Однако, несмотря на различия, оба животных зависят от сна для снижения повреждений ДНК и клеточного стресса.

Значение для человека

«Наши данные позволяют предположить, что способность сна снижать повреждение нейрональной ДНК — это ancestral trait, уже присутствующее у одних из простейших животных с нервной системой», — сказал профессор Лиор Аппельбаум.

Исследование также имеет важное значение для здоровья человека. Нарушения сна у людей связаны с когнитивным снижением и повышенным риском нейродегенеративных заболеваний, таких как болезни Альцгеймера и Паркинсона, в которые может быть вовлечено хроническое накопление повреждений ДНК в нейронах.

«Сон важен не только для обучения и памяти, но и для поддержания здоровья наших нейронов. Эволюционная необходимость поддерживать нейроны, которую мы видим у медуз и анемон, возможно, является одной из причин, почему сон так важен для людей сегодня», — заключил профессор Аппельбаум.