Разрешая дебаты: установлена роль серотонина в регуляции сна

Серотонин – это нейромедиатор, который значительно участвует в формировании памяти, познания, ощущения счастья и других эмоций. Исследователи долго обсуждали его роль в регуляции сна: некоторые считали, что выделение нейромедиатора способствует сну, некоторые же были уверены, что серотонин необходим для бодрствования. Исследование, опубликованное в журнале Neuron, внесло ясность в этот вопрос.

Представлено два мозга рыбок данио-рерио, молекулы серотонина показаны красным. Мозг рыбки справа не мог синтезировать серотонин в ядрах шва, это привело к уменьшению количества нейромедиатора в мозге. Эта рыбка спала примерно вдвое меньше. Credit: David A. Prober et al. / Neuron 2019

Команда ученых из Калифорнийского технологического институтасосредоточила свое внимание на области мозга, называемой ядрами шва, в которой находится основная популяция серотонин-продуцирующих (или серотонинергических) нейронов.

Ядра шва – это эволюционно древняя структура. Их можно найти в стволе мозга у многих организмов, начиная от рыб и заканчивая людьми. Ядра шва ответственны как за производство, так и за транспортировку серотонина в другие области мозга.

Эксперимент начался с исследования данио-рерио – крошечных прозрачных рыб, которые широко используются в нейробиологии в качестве модельных животных, в том числе и для изучения процесса сна.

Сначала исследователи изменили геном ядер шва у рыбок так, чтобы их мутировавшие клетки не производили серотонин. В результате ученые обнаружили, что экспериментальные рыбки спали примерно вдвое меньше, чем обычные. В другом эксперименте исследователи полностью удалили ядра шва, и эффект был идентичным. В третьем эксперименте рыб генетически модифицировали таким образом, чтобы нейроны их ядер шва активировались светом (при помощи метода оптогенетики). При воздействии света рыбки засыпали.

Затем ученые продолжили свои эксперименты на мышах. Опыты подтвердили точку зрения, согласно которой серотонинергические нейроны в основном активны, когда животные бодрствуют, и менее активны во время сна.

Следуя методике эксперимента на рыбках данио-рерио, ученые инактивировали серотонинергические нейроны и обнаружили, что мыши начали спать меньше обычного. В эксперименте со стимуляцией нейронов светом мыши также засыпали, но только когда использовали свет с частотами стимуляции, которые были привычны для нейронов животных.

«Здесь есть очевидный парадокс: стимуляция нейронов заставляет животных спать, — говорит Майкл Альтерматт (Michael Altermatt), один из авторов исследования. —  и все же нейроны обычно активны в течение дня».

Есть два основных фактора, которые контролируют сон. Один из них – циркадные ритмы: когда днем светло, тело бодрствует, а когда темнеет, тело знает, что нужно спать. Другой фактор называется «гомеостатическим давлением сна». Когда вы просыпаетесь утром, вы только что отдохнули и полны энергии. С течением дня энергия тратится, и вас начинает клонить в сон – накапливается «давление сна». Если вы не спите ночью, ваше «давление сна» возрастает еще больше, и на следующий день чувство усталости и желание спать сохраняется, вопреки циркадным ритмам.

Исследователи предполагают, что дневное функционирование серотонинергических нейронов и выделение нейромедиатора – это способ для мозга повысить «давление сна» и постепенно увеличивать нарастающее желание спать.

Важно отметить, что несмотря на то что исследование проводилось на животных моделях, у человека область мозга и механизм синтеза серотонина идентичны. Исследование может помочь в объяснении некоторых связанных со сном побочных эффектов антидепрессантов, которые повышают уровень серотонина в мозге.

Текст: Анастасия Тихомирова

The Serotonergic Raphe Promote Sleep in Zebrafish and Mice by Grigorios Oikonomou, Michael Altermatt, Rong-wei Zhang, Gerard M. Coughlin, Christin Montz, Viviana Gradinaru, David A. Prober in Neuron. Published online June 2019

doi:10.1016/j.neuron.2019.05.038