Картирование активности всего мозга мышей помогло выявить группы нейронов, активность которых возрастает по мере продолжительности бодрствования. Эксперименты с избирательной активацией и подавлением этих клеток показали, что они не просто реагируют на недосып, а участвуют в формировании гомеостатической потребности во сне.
Исследование опубликовано в журнале Nature. Авторы сосредоточились на механизмах гомеостаза сна — системе, благодаря которой чем дольше организм бодрствует, тем сильнее становится физиологическая потребность уснуть. У млекопитающих накопившийся дефицит обычно компенсируется более продолжительным и глубоким сном.
Как мозг накапливает потребность во сне
Одним из объективных признаков высокого «давления сна» считается усиление медленноволновой активности во время сна без быстрых движений глаз (NREM-сна). На электроэнцефалограмме (ЭЭГ), регистрирующей электрическую активность мозга, это проявляется увеличением мощности дельта-волн с частотой примерно 0,5–4 Гц.
При этом до сих пор оставалось неясно, какие именно нейронные популяции отслеживают продолжительность бодрствования и каким образом накопленный дефицит сна преобразуется в физиологический сигнал, заставляющий организм спать.
Чтобы найти такие клетки, исследователи сопоставили активность всего мозга мышей при длительном бодрствовании, последующем восстановительном сне и обычном суточном цикле сна и бодрствования.
Исследователи изучили 162 мозга мышей
Набор данных включал 162 мозга, полученных в 26 экспериментальных условиях. В основных опытах мышей лишали сна в течение шести часов в светлое время суток — период, когда эти животные обычно отдыхают. Для поддержания бодрствования использовали новые предметы либо вызывали груминг с помощью распыления воды.
Также изучали восстановительный сон после депривации, нормальный 24-часовой цикл и лишение сна в тёмную фазу. Последнее было необходимо, чтобы отделить последствия продолжительного бодрствования от обычных суточных изменений активности мозга.
Активные клетки выявляли по белку FOS, который экспрессируется в нейронах после их активации и поэтому используется как своеобразный молекулярный маркер недавней работы клетки. После просветления ткани мозг исследовали методом светолистовой флуоресцентной микроскопии, позволяющей получать трёхмерные изображения крупных образцов.
Анализ выявил три основных типа реакции. Одни области активировались преимущественно в начале процедуры лишения сна, другие — во время последующего сна. Третий тип оказался особенно интересным: активность таких участков постепенно возрастала по мере продолжительности бодрствования.
Два участка мозга особенно точно отражали продолжительность бодрствования
Активность третьего типа была преимущественно сосредоточена в подкорковых структурах. Особенно выраженную зависимость от продолжительности бодрствования исследователи обнаружили в срединном ядре шва и передней медиальной преоптической области.
Затем авторы генетически метили нейроны, которые становились активными во время шестичасового лишения сна, и проверяли, что произойдёт при последующем искусственном изменении их активности.
Хемогенетическая активация — метод, позволяющий управлять определёнными нейронами с помощью специально введённых рецепторов — клеток, связанных с депривацией сна, в обеих областях увеличивала продолжительность NREM-сна примерно в два-три раза. Одновременно усиливалась дельта-активность, то есть сон приобретал признаки восстановительного сна после длительного бодрствования.
Эти результаты позволяют говорить не только о корреляции: экспериментальное управление клетками изменяло параметры сна, что подтверждает их причинное участие в регуляции потребности во сне у мышей.
Срединное ядро шва оказалось связано с другими центрами сна и бодрствования
Нейроны срединного ядра шва образовывали связи с многочисленными подкорковыми структурами, в том числе с латеральной преоптической областью, участвующей в поддержании сна, и латеральной областью гипоталамуса, связанной с бодрствованием.
При искусственной активации нейронов срединного ядра шва активность латеральной преоптической области возрастала, тогда как в латеральном гипоталамусе она снижалась. Отдельная стимуляция нейронов срединного ядра шва, направляющих отростки к преоптической области, также увеличивала NREM-сон.
Таким образом, эти клетки могут влиять на состояние сна и бодрствования через сеть связанных с ними подкорковых центров.
Дефицит сна изменял свойства ГАМКергических нейронов
Среди реагировавших на продолжительное бодрствование клеток срединного ядра шва преобладали серотонинергические и ГАМКергические нейроны. ГАМКергическими называют клетки, использующие гамма-аминомасляную кислоту (ГАМК) в качестве нейромедиатора.
Мечеными оказались примерно 20% ГАМКергических и около 40% серотонинергических клеток этого участка мозга.
После шести часов лишения сна у ГАМКергических нейронов изменялись собственные электрические свойства: мембранный потенциал становился менее отрицательным, снижался порог возникновения потенциала действия и возрастала частота спонтанных разрядов. Иными словами, клетки становились легче возбудимыми.
У изученных серотонинергических нейронов аналогичных значимых изменений мембранного потенциала и порога возбуждения не обнаружили.
Пока неизвестно, что именно запускает эти изменения в ГАМКергических клетках. Они могут быть связаны как с процессами внутри самих нейронов, так и с изменением входящих сигналов или с другими формами нейронной пластичности при длительном бодрствовании.
Одновременное подавление двух типов клеток резко сокращало сон
Совместная активация ГАМКергических и серотонинергических нейронов срединного ядра шва вызывала особенно продолжительный и интенсивный NREM-сон. Обратный эксперимент дал ещё более выраженный результат.
При хроническом подавлении активности обеих популяций с помощью калиевого канала Kir2.1 количество NREM-сна уменьшалось почти на 70% по сравнению с контрольными животными. Одновременно мыши проводили значительно больше времени в состоянии длительного бодрствования, а характерное накопление дельта-активности происходило слабее.
У животных также становилось меньше попыток заснуть, а после продолжительного бодрствования почти не наблюдалось типичного выраженного восстановительного сна. Это указывает на то, что вмешательство могло уменьшать само накопление гомеостатической потребности во сне, а не просто позволять животным дольше сопротивляться обычному недосыпу.
Однако эксперимент имел серьёзные последствия: хроническое подавление этих нейронов сопровождалось гибелью 16,7% мышей. Поэтому результаты нельзя интерпретировать как свидетельство того, что резкое сокращение сна безопасно.
Выжившие животные сохраняли высокий уровень двигательной активности. В использованных тестах у них не выявили значимого усиления тревожноподобного поведения. Они также были способны формировать долговременную контекстную память, хотя через сутки после обучения её выраженность была несколько слабее, чем у контрольных мышей.
Результаты пока относятся только к мышам
Работа показывает, что гомеостатическая потребность во сне может формироваться активным нейронным процессом: определённые клетки постепенно активируются во время бодрствования и затем способствуют переходу к более продолжительному и интенсивному сну.
Особенно важную роль в экспериментах играли ГАМКергические и серотонинергические клетки срединного ядра шва, хотя сама система, вероятно, значительно сложнее и включает множество взаимосвязанных структур.
При этом исследование выполнено на мышах с применением генетических, хемогенетических и электрофизиологических методов. Пока неизвестно, существуют ли у человека полностью сопоставимые механизмы и можно ли безопасно воздействовать на них при заболеваниях сна. Работа прежде всего предлагает экспериментальную модель, позволяющую изучать, каким образом мозг превращает продолжительность бодрствования в нарастающую потребность уснуть.
Связь между гомеостазом сна и другими физиологическими процессами изучается и на других экспериментальных моделях: ранее исследователи показали, что энергетический дефицит может влиять на восстановительный сон после его лишения.
Литература
Joo W., Diester C., Bitsikas V., Panopoulou M., Hidalgo A., Ntemos K., et al. Wake-activated neuronal populations that regulate sleep drive // Nature. — 2026. — DOI: 10.1038/s41586-026-10928-3. Nature