Спите на здоровье! Ученые рассказывают о пользе сна

Почему животные спят? Почему люди тратят третью часть своей жизни на сон? На протяжении всей эволюции сон оставался универсальным механизмом отдыха, необходимым для всех организмов, обладающих нервной системой, включая беспозвоночных типа мух, червей и даже медуз. Но причина, по которой животные спят, несмотря на постоянную угрозу быть съеденными в этом беспомощном состоянии, до сих пор остается загадкой и считается одним из самых важных вопросов естествоведения.

В новом исследовании, опубликованном на днях в журнале «Nature Communications», исследователи из израильского Университета Бар-Илан раскрывают новую и неожиданную функцию сна, которая, по их мнению, может объяснить, как сон и его нарушения влияют на работу мозга, старение и различные расстройства мозга.

Используя методы трехмерной покадровой съемки живых рыбок данио-рерио (Дамский Чулок, популярная аквариумная рыбка и, одновременно, один из самых известных организмов, используемых учеными для опытов в области биологии), исследователи смогли определить фазу сна на хромосомном уровне и впервые показать, что нейроны нуждаются во сне для проведения восстановительных процессов в своем ядре.

Повреждение ДНК может быть вызвано многими процессами, включая радиацию, окислительный стресс и даже активность нейронов. Системы репарации ДНК в каждой клетке постоянно исправляют такие повреждения. Завершившееся исследование показывает, что во время бодрствования, когда динамика процессов в хромосомах низкая, повреждение ДНК постоянно накапливается и может достигать небезопасных уровней.

Роль сна заключается в увеличении динамики процессов в хромосомах и нормализации уровней повреждения ДНК в каждом отдельном нейроне. По-видимому, этот процесс поддержания ДНК недостаточно эффективен в период бодрствования и требует для своего нормального протекания периода сна и перехода в автономный режим с уменьшением ввода информации в мозг.

«Это как повреждение дорожного полотна, – говорит профессор Лиор Аппельбаум с факультета естествоведения Университета Бар-Илан и Мультидисциплинарного исследовательского центра мозга Гонда (Гольдшмид), который руководил закончившимся исследованием. – Дороги накапливают число дефектов в часы пик в дневное время, и их удобнее и эффективнее ремонтировать в ночное время, когда движение ограничено».

Аппельбаум называет накопление повреждений ДНК «ценой бодрствования». Он и его докторант Дэвид Зада, основной автор исследования, а также соавторы, доктор Тали Лерер-Гольдштейн, доктор Ирина Бронштейн и профессор Юваль Гарини, предположили, что сон объединяет и синхронизирует процессы восстановления ядер в нейронах, и решили подтвердить эту теорию.

Их открытие было получено благодаря характеристикам выбранной модели для постановки опытов – аквариумных рыбок данио. Рыбка данио-рерио обладает прозрачностью и мозгом, очень похожим на мозг человека, и потому является идеальным организмом, на котором можно изучать отдельные клетки живого животного в физиологических условиях. С помощью микроскопа высокого разрешения можно наблюдать движение ДНК и ядерных белков в клетке – внутри рыбы! – и в то время, когда рыба бодрствует, и когда она спит. Ученые были особенно удивлены, обнаружив, что хромосомы более активны ночью, когда тело отдыхает, и эта повышенная активность позволяет эффективно восстанавливать повреждения ДНК.

Результаты позволяют считать динамику процессов в хромосомах в качестве потенциального маркера для определения спящих клеток и предполагают, что восстановительная функция сна заключается в поддержании функции ядер. «Мы обнаружили причинно-следственную связь между сном, динамикой процессов в хромосомах, нейрональной активностью, повреждением и восстановлением ДНК, имеющую прямое физиологическое значение для всего организма, – говорит профессор Аппельбаум. – Сон дает возможность уменьшить повреждения ДНК, накопленные в головном мозге во время бодрствования».

«Несмотря на риск уменьшения степени осведомленности о состоянии окружающей среды, животные – от медузы до рыбок данио-рерио и человека – должны спать, чтобы их нейроны могли эффективно поддерживать ДНК, и это, возможно, является причиной того, что сон развился и закрепился как явление в животном мире», – заключает профессор.