Исследователи, возможно, разработали новую теорию, чтобы объяснить одну из главных загадок сна.
Каждое живое существо, которое спит, следует одной и той же базовой схеме. После периода бодрствования организмы переходят к повторяющемуся циклу сна с низкой активностью мозга, за которым следует стадия, когда наш мозг работает активнее, в том числе генерируя яркие сны.
Глаза человека также двигаются под закрытыми веками во время этой стадии высокой активности, поэтому она называется сном с быстрым движением глаз, или REM-сном.
Хотя есть несколько заметных исключений, включая людей с нарколепсией и людей, которые не спали несколько дней, этот повторяющийся цикл сна без фазы быстрого движения глаз (non-REM) и REM-сна удивительно распространён в животном мире.
«Эволюционно он настолько сохранился и так широко распространён среди видов, — говорит Сара Атон, профессор молекулярной, клеточной и эволюционной биологии в Мичиганском университете. — Это означает, что, вероятно, в этом порядке сна есть что-то действительно важное. И он никогда не идёт в обратном направлении, если только что-то серьёзно не нарушило систему».
Тем не менее у учёных не было удовлетворительного объяснения биологической функции этого практически универсального явления. Теперь исследователи под руководством Атон и Михала Зоховски разработали теорию, основанную на экспериментальных наблюдениях за мышами и компьютерном моделировании нейронных схем мозга.
Согласно этой теории, если бы воспоминания были кустами, то фаза сна non-REM помогает им расти выше и сильнее. Затем стадия REM подрезает их, придавая форму и не позволяя им перекрываться и срастаться друг с другом.
«Это работает только при наличии такой последовательности. Если вы сделаете наоборот и сначала устроите REM-сон, он всё подрежет. Тогда не останется никаких воспоминаний, — говорит Атон. — В правильной последовательности вы укрепляете то, что нужно укрепить. Затем наступает REM-сон, который подрезает перекрывающиеся части несвязанных воспоминаний».
У мышей исследователи могли наблюдать влияние сна на запоминание простых экспериментов по обусловливанию. У людей, по словам Зоховски, это может иметь знакомые последствия в нашей повседневной жизни.
«Допустим, у вас три встречи за день. Мы знаем, что вы будете помнить эти встречи лучше после хорошего ночного сна, — говорит Зоховски. — Во время сна non-REM вы укрепляете память о каждой встрече. Но вам также нужно помнить, кто что сказал и на какой встрече. А во время REM-сна происходит разделение этих воспоминаний».
Под руководством команды Атон исследователи провели эксперименты, в ходе которых наблюдали за мозгом мышей, чтобы увидеть, какие части гиппокампа были активны во время разных фаз сна после простого сценария обусловливания.
Мышей перемещали из их домашних клеток в новую среду, и после нескольких минут исследования они получали небольшой удар током в лапы. Также была контрольная группа мышей, которые не испытывали таких неприятностей. Это позволило исследователям сравнить активность мозга спящих мышей во время REM- и non-REM-циклов, у которых была установлена или не была установлена связь между новым пространством и ударом током.
Однако исследователи пока не могут определить все отдельные нейроны, кодирующие конкретные воспоминания, с помощью доступных методов, поэтому здесь на помощь команде пришло моделирование. Модель была разработана группой Зоховски и рассматривает недавно закодированные воспоминания как изменения в активности нейронов в схемах под воздействием окружающей среды мозга, где биохимическое вещество ацетилхолин модулирует их активность.
«Мы можем фактически смоделировать и точно определить, какие нейроны активируются в результате обучения, — говорит Атон. — Мы можем смоделировать это и смоделировать изменения, которые происходят в отношении ацетилхолина, когда животное проходит через различные стадии сна».
Есть также два типа нейронов: возбуждающие, которые стимулируют своих соседей, и тормозящие, которые подавляют активность других. Объединив эту динамику с реальными данными об активности мозга и уровне ацетилхолина во время различных фаз сна, модель помогла сделать выводы, которые ранее были недоступны.
Хотя исследователи воодушевлены результатом, они подчёркивают, что это ещё не окончательное слово в вопросе. Их модель схемы — это упрощённое представление мозга, а эксперименты команды проверяли относительно простые сценарии запоминания. Таким образом, теория может измениться или развиться, когда исследователи подвергнут её более сложным тестовым случаям и предоставят ей новые и разные типы данных.
«Сейчас у нас есть исследование, которое говорит: „Смотрите, вот что может происходить“, — говорит Зоховски. — Теперь мы должны доказать, что модель соответствует реальности».
Работа опубликована в журнале PLoS Computational Biology.
Поддержка работы поступила от Национального научного фонда, инициативы Чан Цукерберга и Национальных институтов здравоохранения. Проект стал возможен отчасти благодаря достижениям, достигнутым более широким сообществом за последнюю дюжину лет, благодаря инициативе NIH «Исследование мозга через продвижение инновационных нейротехнологий», или BRAIN.
Источник: Мичиганский университет.