В первые часы сна рыбка данио утрачивает часть новых синапсов

Вопрос о значении сна в жизни животных до сих пор не имеет точного ответа. Согласно гипотезе синаптического гомеостаза (ГСГ), во сне утрачиваются некоторые нейронные связи (синапсы), чье количество возрастает в состоянии бодрствования в связи с приобретением опыта. Таким образом, по ГСГ, сон служит регулятором синаптической активности и способствует восстановлению ресурсов нервной системы, затраченных на формирование нейронных связей в период бодрствования. Попытки экспериментально проверить эту гипотезу показали неоднозначную роль сна в поддержании синаптического гомеостаза.

В поиске ответов исследователи из Университетского колледжа Лондона визуализировали синапсы и нейроны in vivo на уровне единичных клеток. Особое внимание они уделяли нейронам крыши среднего мозга (тектума) зародышей Danio rerio, морфология и функции которых хорошо охарактеризованы. Исследователи фиксировали число и активность синапсов сразу после включения освещения и ближе к концу дня, а также в темное время.

Число синапсов в нейронах тектума возрастало в среднем на 14,4% на протяжении светлой части суток, пока зародыши данио бодрствовали, и снижалось на 1,9% в темноте во время сна. Схожим образом менялась активность синапсов, которая повышалась на 36,8% в дневное время и сокращалась на 11,7% в ночное. При этом динамика числа синапсов, в отличие от активности, определялась не внешними, навязанными режимом освещения ритмами, а внутренними циркадными ритмами.

Ученые выделили четыре подтипа нейронов в тектуме зародышей на основании их положения, ветвления, размеров и других параметров. Каждый подтип отличался паттерном появления-утраты синапсов на протяжении цикла сон-бодрствование. Из них сдвиги в синаптическом гомеостазе были ярче выражены у нейронов подтипа 2, слабее — у нейронов подтипа 4. В то же время среди нервных клеток подтипа 3 число связей не сокращалось во сне.

Утрата синапсов приходилась на первую половину сна. Однако, наряду с самим сном, важным условием для поддержания синаптического гомеостаза был высокий уровень потребности мальков в отдыхе — так называемое давление сна (sleep pressure). Принудительное бодрствование D. rerio, которым не позволяли спать в течение первых четырех часов темного времени суток, сопровождалось появлением новых связей между нейронами, как это наблюдали при естественном бодрствовании рыб. Возросшее в результате депривации давление сна привело к более интенсивной, чем в мозге полноценно спящих собратьев, потере синапсов после засыпания. Кроме того, вызванный препаратами сон в дневное время, когда потребность во сне невысока, не сопровождался потерей синапсов, за исключением случаев повышения уровня аденозина при подавлении высвобождения норадреналина.

Подводя итоги, авторы отметили, что они получили новые свидетельства в пользу гипотезы синаптического гомеостаза с уточнением, что регуляция синаптической активности ограничена определенными периодами сна. Модуляция числа и активности нейронных связей зародышей данио имела место в первой половине темной фазы и отражала медленноволновую активность мозга, а также зависела от морфологии нейронов, давления сна и его молекулярных механизмов. Исследователи предположили, что роль периодов сна с низким давлением, например, второй половины ночи, может заключаться в несинаптической регуляции нервной системы.

Сон способствует закреплению в памяти сложных событий