Поиск клеток, которые усыпляют наш мозг.

Долгое время в исследованиях сна кора головного мозга рассматривалась как пассивный наблюдатель, реагирующий на сигналы из глубин мозга. «Обычно сон связывают с контролем со стороны подкорковых областей», — говорит Джеффри Террал, нейробиолог из Медицинского колледжа Альберта Эйнштейна в Нью-Йорке.

Медленные ритмы глубокого сна наблюдаются в коре головного мозга, но исследователи предполагали, что сигналы, запускающие их, исходят из других областей. В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Nature, Террал и Рената Батиста-Брито, руководитель лаборатории, сообщают об обнаружении популяции корковых клеток, которая опровергает это предположение.

Эти кортикальные клетки составляют лишь около одного процента тормозных нейронов коры головного мозга, и их активация у мыши приводит животное ко сну. «Наша работа показывает, что кора головного мозга не только способна распознавать этот ритм, но и инициировать его самостоятельно, и этого достаточно для того, чтобы вызвать сон», — сказал Террал.

1 процент

Эти клетки называются нейронами Sst-Chodl, по названию двух генов, которые в них активны. Длиннодействующие ингибиторные нейроны, отмеченные активностью этих генов, известны уже некоторое время, согласно исследованиям на обезьянах, но исследователи не могли понять, как манипулировать ими с помощью этих генов. Воздействие на любой из этих генов позволяет охватить огромное, гетерогенное семейство различных нейронов. «Один ген не способен воздействовать на эти клетки», — сказал Батиста-Брито.

Торможительные нейроны составляют примерно пятую часть всех корковых нейронов, поэтому клетки Sst-Chodl составляют примерно один нейрон из тысячи в коре головного мозга. «Если не быть достаточно точным, то загрязняющие вещества будут доминировать над специфическими клетками», — сказал Батиста-Брито.

На разработку стратегии, позволяющей помечать клетку только тогда, когда оба гена активированы, ее команде потребовались годы.

«Исследование этих клеток было действительно проектом с высоким риском, потому что вероятность обнаружить что-либо, содержащее 0,1% нейронов в коре головного мозга, очень низка», — сказала Батиста-Брито. «Я написала множество заявок на гранты по этим проектам, но все они были отклонены, потому что это было слишком рискованно».

Первое знакомство с анатомией нейронов Sst-Chodl доказало, что риск оправдан. «Сначала я увидела всего два или три клеточных тела во всем мозге», — рассказала Батиста-Брито. «Несмотря на это, по всей зрительной коре наблюдалось огромное, просто невероятное разветвление, подобного которому я никогда не видела ни у одного другого нейрона».

Эта «массивная арборизация» представляет собой древовидное разветвление, соединяющее нейроны с другими частями мозга, делая их частью более широкой коммуникационной сети. Это также было очень необычно, поскольку тормозные нейроны почти всегда локальны. Они получают сигналы из разных, иногда отдаленных областей мозга и осуществляют контроль над своим непосредственным окружением — своим собственным небольшим участком.

«Нейроны Sst-Chodl, по сути, являются противоположностью», — сказала Батиста-Брито. «Они получают довольно точные входные сигналы, но затем передают эту информацию повсюду».

Отдельная клетка Sst-Chodl разветвляется на всю зрительную кору, а затем посылает аксоны в области мозга, отвечающие за осязание, слух, пространственную память, навигацию и произвольные движения.

Тихие часы

Чтобы определить, когда активируются клетки, команда проводила их визуализацию, одновременно отслеживая размер зрачков мышей, мышечный тонус, движения лица, бег и электрическую активность коры головного мозга. Из 111 визуализированных клеток 95 активировались во время медленного сна и спокойного, неподвижного бодрствования, и затихали во время бега и фазы быстрого сна.

Во время медленноволнового сна кора головного мозга чередуется между состояниями повышенной активности (UP) и состояниями пониженной активности (DOWN), характеризующимися почти полным молчанием; нейроны Sst-Chodl нарушают эту закономерность. «Их активность еще выше в конце состояния повышенной активности, — говорит Террал. — Как только активность всех остальных нейронов начинает снижаться, эти нейроны начинают еще больше ее увеличивать».

Они также пропускают фазу восстановления, которую демонстрируют другие клетки при выходе из состояния «вниз». «Эти клетки ведут себя совершенно иначе, чем любые другие клетки, которые мы можем измерить в этой фазе перехода», — сказал Террал.

Чтобы по-настоящему понять, как они работают, команда заставила нейроны SSt-Chodl срабатывать по команде, используя оптогенетику, которая включает в себя введение гена, кодирующего активируемый светом ионный канал, способный стимулировать нервные клетки к возбуждению.

Длинный размах

Оптогенетическая стимуляция клеток Sst-Chodl в зрительной коре головного мозга привела к увеличению мощности дельта-ритма — самых медленных и высокоамплитудных мозговых волн, измеряемых во время глубокого восстановительного сна, — на всех уровнях. Она также сузила временные рамки возникновения спайков и сделала состояния DOWN более частыми и продолжительными. Но в целом активность нейронов практически не изменилась.

«Эти нейроны не столько меняют частоту своих импульсов, — сказал Террал. — Они меняют только координацию — срабатывают ли нейроны одновременно или нет».

Обычно, если поддерживать заданную частоту в популяции, сеть будет синхронизироваться с этой же частотой. В данном случае это не имело значения.

«Даже при воздействии плоского сигнала, дельта-ритма, частоты 20 или 60 герц, все равно возникали бы одинаковые колебания», — сказала Батиста-Брито. «Внутренние свойства этих клеток таковы, что после активации они переключаются на одну и ту же частоту».

Она подчеркнула, что в настоящее время нам неизвестно, как они это делают.

Досягаемость этих нейронов также оказалась необычайно большой. «Их клеточные тела находились в зрительной коре, но они могли регулировать активность большинства нейронов, которые мы регистрировали», — сказал Террал.

Прямые тормозящие токи наблюдались в трети клеток на расстоянии двух миллиметров, а стимуляция зрительной коры оказывала измеримое воздействие вплоть до лобных моторных областей.

На заключительном этапе команда сосредоточилась на поведенческих экспериментах. Они проверили, вызовет ли стимуляция нейронов Sst-Chodl у мышей сон. И она действительно вызвала.

переключатель сна

Активация клеток по всей коре головного мозга свободно передвигающихся мышей увеличила продолжительность медленного и быстрого сна, сократила время засыпания и заставила животных укрыться в своих гнездах в течение дня. Затем команда попробовала это в темное время суток, когда ночные мыши в основном бодрствуют.

«Мы смогли заставить их спать больше в течение дня, когда они бодрствуют, чем они обычно спят днем», — сказала Батиста-Брито. «Я никогда не думала, что этот эксперимент сработает. Мы воздействуем на один процент ингибиторных нейронов с помощью локальных инъекций, то есть затрагиваем лишь небольшую часть этих клеток. И мы увидели действительно поразительный эффект».

Батиста-Брито утверждает, что этот эффект указывает на идею о том, что эти нейроны могут быть датчиками потребности во сне в коре головного мозга, — предположение, впервые выдвинутое Томасом Килдуффом, директором Центра нейронаук SRI International и соавтором исследования.

Батиста-Брито объясняет, что сон бывает двух видов: циркадный, следующий за периодом полусна, и гомеостатический сон, накопленная усталость, которая в конечном итоге заставляет нас спать, хотим мы этого или нет. По словам Батисты-Брито, Килдуфф показал, что после лишения сна эти клетки в коре головного мозга являются наиболее активными.

Однако один вопрос, на который Батист-Брито и ее коллеги до сих пор не имеют ответа, — это что именно активирует эти клетки.

Что включает этот выключатель?

«Одно из ограничений нашей работы заключается в том, что она проводилась в зрительной коре головного мозга», — сказала Батиста-Брито.

Команда исследователей утверждает, что результаты, касающиеся координирующей роли нейронов Sst-Chodl, должны распространяться на другие области мозга, но фактическая структура нейронных связей может отличаться. Лаборатория Батисты-Брито сейчас повторяет анатомическую часть своей работы в префронтальной коре. Они предполагают, что там мы увидим сигналы из других областей, таких как гипоталамус и таламус, и именно это будет запускать нейронную сеть, отвечающую за сон.

Эти клетки сохранились от саламандр до человека, поэтому в статье утверждается, что они могут быть отправной точкой для нарушений сна, характерных для многих психических заболеваний.

В настоящее время команда сосредоточена на трех оставшихся вопросах: что активирует эти клетки, действительно ли они ощущают потребность во сне и почему они стимулируют дельта-ритм.