Нейронные паттерны сна появились как минимум 450 миллионов лет назад

Исследователи из Медицинской школы Стэнфордского университета обнаружили, что нейронные сигнатуры у спящих рыбок данио аналогичны человеческим. Это говорит о том, что данная мозговая активность эволюционировала как минимум 450 миллионов лет назад, ещё до того, как какие-либо существа вышли из океана.

Учёные знали более 100 лет, что рыбы входят в состояние, подобное сну, но до сих пор не было известно, похож ли их сон на сон наземных животных.

Исследователи обнаружили, что во время сна у рыбок данио могут проявляться два состояния, аналогичных состояниям млекопитающих, рептилий и птиц: медленноволновой сон и парадоксальный сон, или сон с быстрыми движениями глаз (REM-сон). Это первая запись таких паттернов мозговой активности у рыб.

«Это отодвигает эволюцию нейронных сигнатур сна на довольно много лет назад», — сказал постдокторант Луи Леунг, Ph.D.

Исследование будет опубликовано 10 июля в журнале Nature. Старший автор — Филипп Мурейн, Ph.D., доцент психиатрии и поведенческих наук. Ведущий автор — Леунг.

Изучение сна рыб

Для изучения рыбок данио исследователи построили настольный флуоресцентный микроскоп с световым листом, способный к визуализации всего тела рыбы с разрешением на уровне одной клетки. Они записывали активность мозга, пока рыбы спали в агаровом растворе, который обездвиживал их. Также с помощью разработанной ими флуоресцентной полисомнографии они наблюдали за частотой сердечных сокращений, движением глаз и мышечным тонусом спящих рыб.

Наблюдаемые состояния сна они назвали «медленно-взрывным сном» (аналог медленноволнового сна) и «распространяюще-волновым сном» (аналог REM-сна). Хотя рыбы не двигают глазами во время REM-сна, мозговые и мышечные сигнатуры схожи. (Рыбы также не закрывают глаза во сне, так как у них нет век.)

Сходство с человеческим сном

Исследователи обнаружили ещё одно сходство между сном рыб и человека. Нарушив функцию меланин-концентрирующего гормона (пептида, регулирующего цикл сна-бодрствования) и наблюдая за нейронной активностью во время сна рыб, они установили, что сигнализация этого гормона регулирует у рыб «распространяюще-волновой сон» так же, как у млекопитающих регулирует REM-сон.

Другие аспекты состояния сна рыб схожи с таковыми у наземных позвоночных, отметил Мурейн: рыбы остаются неподвижными, их мышцы расслабляются, кардио-респираторные ритмы замедляются, и они не реагируют на приближение.

«Они теряют мышечный тонус, их сердечный ритм падает, они не реагируют на стимулы — единственная реальная разница — это отсутствие быстрых движений глаз во время REM-сна», — сказал Мурейн. Он добавил: «Быстрое движение глаз — не лучший критерий для этого состояния, мы предпочитаем называть его парадоксальным сном, так как мозг выглядит бодрствующим, пока человек спит».

Значение открытия

Хотя учёные не могут с уверенностью сказать, что все животные спят, сон, по-видимому, является универсальной потребностью как позвоночных, так и беспозвоночных. Животные умирают, если их лишить сна достаточно долго, а у людей, не получающих достаточного сна, возникают психические проблемы, такие как провалы в памяти и нарушение суждений, а также повышенный риск таких расстройств, как ожирение и высокое кровяное давление.

Однако точные преимущества сна остаются загадкой. «Это важнейшая функция, но мы не знаем точно, что она делает», — сказал Мурейн.

Он добавил, что нарушения сна связаны с большинством неврологических расстройств, таких как расстройства аутистического спектра, синдром ломкой X-хромосомы, а также болезни Альцгеймера и Паркинсона. «Нарушения сна являются отягчающим фактором этих расстройств», — сказал Мурейн. Крайне важно развивать эту животную модель для изучения функций сна на клеточном уровне, включая нейронную связность и репарацию ДНК, и, в свою очередь, понимать патофизиологические последствия нарушений сна.

Это открытие означает, что исследования сна теперь можно проводить на рыбках данио, которых легко изучать, отчасти потому, что они прозрачны. Они быстро размножаются, недороги в содержании и имеют длину чуть более дюйма. Тестирование лекарств требует лишь добавления химических веществ в их воду.

«Поскольку нейронные сигнатуры рыб по сути те же, что и у нас, мы можем использовать информацию о них для создания новых направлений для клинических испытаний лекарств», — сказал Леунг. Он добавил, что мыши, часто выступающие в качестве модели для исследований на человеке, являются ночными животными и менее релевантной моделью для нашего сна.

«Поскольку данио, как и люди, ведут дневной образ жизни, для некоторых аспектов, возможно, более биологически точно сравнивать сон рыб с человеческим», — сказал Леунг.