«Очистку мозга» назвали основной и древней функцией глубокого сна

Ученые показали, что «очистка от мусора» может иметь важное значение для поддержания здоровья мозга или предотвращения нейрогенеративных заболеваний. Особенно активен этот процесс во время фазы глубокого сна.

Во сне мы проводим значительную часть жизни: по разным оценкам, мужчины спят около 24 лет, женщины — порядка 27 лет. Во время этого физиологического состояния человек почти целиком отключается от окружающего мира, не реагирует на него — но, как отмечают специалисты, можно предположить, что преимущества сна перевешивают ту уязвимость, в которой мы пребываем, погружаясь в него.

Для представителей всего животного мира лишение сна приводит к ухудшению памяти, снижает иммунитет, замедляет заживление ран, а хороший ночной отдых способен обратить вспять эти нарушения. По словам нейробиологов из Северо-Западного университета (США) и Квинслендского университета (Австралия), одна из величайших загадок сна — в том, как он выполняет восстановительные функции и в какой степени эти механизмы сохраняются у животных. 

«Мы предполагаем, что это изначальные функции сна, приведшие к его эволюции. Одно из его предназначений — “выведение мусора” из мозга через вызванные изменения гидрогазодинамики. В одной модели спинномозговая жидкость попадает в паренхиму головного мозга через периартериальные пути, вызывая конвекцию интерстициальной жидкости. Она удаляет токсичные продукты жизнедеятельности из интерстициального пространства мозга и стекает по перивенозным путям. Кроме того, церебральный кровоток и объем крови понижаются во время фазы “медленного” сна, вызывая временное изменение направления потока спинномозговой жидкости в третьем и четвертом желудочках. Эти гемодинамические колебания способствуют удалению отходов, позволяя спинномозговой и интерстициальной жидкостям смешиваться», — объясняют авторы работы, опубликованной в журнале Science Advances.

Учитывая анатомию мозга млекопитающих, оставалось неясным, характерна ли функция «очистки мозга» для других классов животных, например беспозвоночных. По таким поведенческим критериям, как покой, особая поза, снижение сенсорной реакции, выяснилось, что спят и моллюски, и каракатицы, и осьминоги, и раки, и некоторые виды насекомых, и даже медузы. Теперь ученые решили подтвердить свою гипотезу о выведении «мусора» из мозга во время сна на плодовых мухах Drosophila melanogaster (дрозофила фруктовая).

Ранее исследователи показали, что сон у дрозофил важен для обучения и памяти, сохранения энергии, работоспособности, поддержки иммунных функций. К тому же появляется все больше свидетельств того, что у беспозвоночных он тоже делится на разные стадии, их функции были малоизученными.

Участвующих в новом эксперименте мух кормили пищей с люциферином — это класс светоизлучающих веществ, которые проходят из кишечника в гемолимфу и через гематоэнцефалический барьер, а индуцированную таким образом люминесценцию можно наблюдать в нервной системе насекомых в течение 10-20 секунд после еды. Стоит отметить, что сон у дрозофил регулируется такими же нейротрансмиттерами, как у млекопитающих, и мухи реагировали аналогичным образом на препараты, способствующие сну или бодрствованию — габоксадол, пиридин-3-ол и кофеин. 

«Мы получили доказательства того, что дрозофилы впадают в фазу глубокого сна, функция которого — “выведение мусора” из мозга. Также удалось обнаружить, что во время сна мухи иногда переходят в фазу, характеризующуюся стереотипными движениями: дрозофилы многократно вытягивали и втягивали обратно свой хоботок в отсутствие вкусовых стимулов. Это стадия глубокого сна, на что указывают повышенные пороги возбуждения и характерные изменения нервной активности. Предотвращение сокращений хоботка повышает риск смерти после травмы и замедляет выведение различных соединений. Мы предполагаем, что избавление от “шлаков” — древняя восстановительная функция глубокого сна: и мухи, и люди выработали механические решения для увеличения гемодинамических колебаний во время ночного отдыха», — рассказали исследователи. Они подчеркнули, что такая функция фазы глубокого сна, как «избавление от мусора», могла появиться еще у общего предка мух и людей.

Но как движения хоботка способствуют очистке мозга? По словам авторов работы, поскольку этот орган довольно большой (около 20% от объема головы), его расширение и втягивание помогает перемещать значительное количество гемолимфы по телу. В результате повышаются гемодинамические колебания, ускоряется поток гемолимфы по органам и тканям.

Движения хоботком, вероятно, также способствуют доставке питательных веществ и выведению шлаков, а также углекислого газа, заставляют гемолимфу двигаться вперед и назад, создают внутренние перепады давления в системе трахеи, добавляя активный компонент к дыханию дрозофилы, который необходим в тот момент, когда пассивного дыхания недостаточно.