Сон нужен всем: и людям, и другим животным с нервной системой. Люди проводят невероятное количество времени во сне – около одной трети их жизни. (1, 2)
Получение нужного количества сна в нужное время жизненно важно для хорошего здоровья и жизненно важно для выживания. Сон – сложный процесс, влияющий на все тело. (3)
Он имеет решающее значение для развития мозга и поддержания путей, необходимых для памяти и обучения. Сон также помогает поддерживать правильное функционирование сердца, легких, иммунной системы, метаболических процессов и защиты от болезней. (4)
Риск развития хронических заболеваний, таких как сахарный диабет 2 типа, сердечно-сосудистые заболевания, ожирение и депрессия, выше при недостаточном сне. Циркадные ритмы и гомеостаз сна и бодрствования – это внутренние биологические механизмы, которые совместно контролируют время, продолжительность и качество сна. (5)
Циркадные ритмы – это 24-часовые циклы, которые иногда синхронизируются с внешними сигналами, такими как свет, которые контролируют время сна, температуру тела, выброс гормонов и метаболизм. Гомеостаз сна и бодрствования заставляет организм чувствовать усталость, когда ему нужен сон.
Требования к сну у людей различаются в зависимости от возраста: среднему новорожденному требуется 14–17 часов, а среднему взрослому – 7 или более часов за ночь. Продолжительность сна может сильно различаться у разных видов: от 2 часов для слонов до 17 часов для ночных обезьян. (6, 7)
Предварительные исследования на животных моделях показывают, что повреждения ДНК нервов или «разрывы ДНК» накапливаются в периоды бодрствования, а восстановление происходит во время сна. Однако, какие клеточные механизмы инициируют гомеостаз сна и бодрствования, остается загадкой.
Почему мы спим?
Это побудило исследователей провести серию экспериментов на личинках рыбок данио, чтобы определить клеточные триггеры, лежащие в основе гомеостаза сна и бодрствования, а также роль сна в облегчении восстановления ДНК.
В интервью профессор Лиор Аппельбаум из Университета имени Бар-Илана факультета естественных наук Гудмана и соавтор исследования объяснил, что повреждение ДНК происходит из-за нормальных процессов, связанных с нервной деятельностью, таких как мышление.
Профессор Аппельбаум также сказал, что сон – занятие, интригующее с эволюционной точки зрения, потому что во время сна выживание находится под угрозой. Итак, в течение дня должны быть «затраты», которые заставляют уснуть: «Мы задались вопросами: ‘Почему мы спим?’, ‘Почему мы устаем?’, ‘Каковы затраты бодрствования?’».
Он добавил: «Мы использовали рыбок данио, потому что они прозрачны, поддаются генетическим манипуляциям, и это все еще позвоночное животное, а это означает, что мозг […] похож на млекопитающих или даже людей […] по структуре и функциям». […] По сути, мы можем визуализировать восстанавливающий белок в клетке, пока рыба жива, спит и бодрствует, и следить за их деятельностью, что было большим прорывом».
Кроме того, личинки рыбок данио активны в течение дня и их режим сна очень напоминает таковой у млекопитающих. Ученые сначала измерили минимальное количество сна, необходимое для уменьшения усталости или гомеостатического давления сна, что дает достаточно времени для восстановления ДНК.
Ученые задались вопросом: «Какое оптимальное количество времени необходимо рыбе для сна, чтобы восстановить свою ДНК» – пояснил профессор Аппельбаум.
Чтобы выяснить это, они выставили личинок рыбок данио на свет после различных периодов темноты и обнаружили, что для снижения гомеостатического давления необходимо как минимум 6 часов непрерывного сна. Затем исследователи оценили количество часов сна, необходимое личинкам рыбок данио, чтобы нормализовать уровни повреждения ДНК, продемонстрированные в их предыдущем исследовании.
Результаты показали, что личинкам рыбок данио достаточно 6 часов, чтобы обратить вспять повреждение ДНК, которое произошло во время бодрствования. Когда личинки рыбок данио спали менее 6 часов, они продолжали спать даже после воздействия дневного света.
Эти результаты предполагают, что повреждение нейрональной ДНК определяет, сколько сна необходимо для преодоления усталости.
Затем в отдельных экспериментах исследователи вызывали повреждение ДНК у личинок рыбок данио, стимулируя нервную активность и подвергая личинок воздействию ультрафиолета.
Ученые обнаружили, что повреждение ДНК, вызванное ультрафиолетовым светом и нервной стимуляцией, также заставляло личинок рыбок данио спать, что подтверждает гипотезу. Другие эксперименты показали, что повреждение ДНК увеличивает активность путей восстановления и динамику хромосом, способствуя эффективному восстановлению во время сна. (8)
Когда ученые хронически подавляли пути восстановления и динамику хромосом, это заставляло личинок рыбок данио спать. Затем исследователи провели эксперименты, чтобы выявить роль восстанавливающего белка PARP1 у личинок рыбок данио и мышей.
Антенна повреждения ДНК
Доктор Аппельбаум объяснил, что PARP1 – это «детектор повреждений ДНК, [который] функционирует как антенна. Он задействует […] репарационный белок, и всякий раз, когда у вас […] достаточно PARP1, он вызывает сон, а затем во время сна восстанавливает систему, [так] что вы можете начать новый день с базовым количеством повреждений ДНК».
Исследователи продемонстрировали, что амплификация PARP1 у личинок рыбок данио вызывает сон и восстановление нейрональной ДНК. И наоборот, у личинок рыбок данио, когда ученые инактивировали PARP1, это вызывало бодрствование и отсутствие репарации ДНК.
Чтобы подтвердить результаты, ученые ингибировали PARP1 у взрослых мышей и наблюдали за их режимом сна. Они обнаружили уменьшение количества медленного сна и его интенсивности.
В интервью с экспертом, не участвовавшим в исследовании, доктор Клиффорд Сегил, доктор медицинских наук, невролог из Центра здоровья Провиденс Сент-Джонс в Санта-Монике, Калифорния, США, прокомментировал: «Как и в случае с большинством исследований ДНК или генетических исследований, как врачу-клиницисту трудно понять, какое клиническое воздействие может оказать это исследование».
Он добавил, что будет сложно перейти «из пробирки в мир, от in vitro к in vivo». […] Вам нужно найти способ измерить повреждение ДНК человека и повреждение чьей-либо ДНК в течение дня, [чтобы] увидеть, спят ли они больше ночью».
Доктор Сегил согласился с тем, что в будущем есть потенциал для исследований на людях с нейродегенеративными заболеваниями, связанными с нарушениями сна, такими как болезнь Альцгеймера.
Доктор Аппельбаум предположил:
«Еще одно направление будущего – причинно связать нарушения сна, накопление повреждений нейронов, гибель клеток […] с нейродегенеративными заболеваниями и старением в целом».
Врач терапевт, эксперт по рациональному питанию и коррекции веса. Окончила Международный государственный экологический университет им. А.Д.Сахарова, факультет экологической медицины.
