ВизиЯ Интересный мир Мозг человека работает как часы. И это не простые слова - исследование

Часовой механизм мозга

Сколько раз в день вы проверяете время? По оценкам, люди в возрасте от 18 до 34 лет проверяют время от 50 до 74 раз в день! Синхронизация важна для любой сложной системы; будь то машина, социальная организация, коммуникация или транспортная система, хаос разразился бы, если бы сложные процессы вовремя не были точно скоординированы.

Р. Дуглас Филдс

Наше тело строго регулируется временем суток, и мозг, отвечающий за пробуждение, сон и взаимодействие с окружающей средой, является, пожалуй, наиболее хорошо настроенным органом в теле по отношению к дню, с его ритмическими циклами сна и бодрствованием. Как мы все знаем, страдая от лишения сна или смены часовых поясов, когда часы нашего тела выходят из строя, наша психическая функция падает. Новое исследование, появившееся в журнале Science на этой неделе, обнаружило, что в мозге есть удивительное количество часов - сотни триллионов из них – синапсов!

Синапсы являются основным механизмом общения в нейронных сетях. Эти микроскопические точки связи между нейронами передают сигналы, высвобождая нейротрансмиттеры, которые либо возбуждают, либо препятствуют срабатыванию нейрона вниз по течению. Обучение и память зависят от изменений в синаптической коммуникации, а изменения в синаптической коммуникации создают новые нейронные сети, которые содержат кусочки информации и управляют нашим мышлением, эмоциями и поведением. Исследования, проведенные Стивеном Брауном и его коллегами из Института фармакологии и токсикологии, Цюрихский университет, Швейцария, рассматривали, меняется ли механизм синаптической передачи в течение дня / ночи. Они обнаружили триллионы синаптических часов.

Исследователи выделили синапсы из переднего мозга мышей, а затем извлекли отдельные белки, которые их составляют; было идентифицировано около 4000 различных белков. Чтобы определить, может ли количество этих различных белков расти и падать, как по маслу, они брали пробы каждые четыре часа круглосуточно. Они обнаружили, что 11,7% синаптических белков увеличивались и ритмично сокращались в течение дня и ночи синхронно с восходом и заходом солнца. Самые большие волны были замечены прямо в сумерках и на рассвете. Известно, что большинство белков, которые бушевали в изобилии после пробуждения, были вовлечены в синаптическую передачу, которая стимулирует нейроны, а категории белков, которые увеличились в начале сна, были вовлечены в клеточный метаболизм. Это поднимает вопрос о том, как производится этот ритмический цикл синаптических белков.

Окончательный источник информации, чтобы сделать определенный белок, закодирован в ДНК. Эта информация считывается другой молекулой, мРНК, которая передает инструкции от ядра клетки к механизму синтеза белка в теле клетки, называемую рибосомами. Здесь план построения специфического белка, закодированного в определенной молекуле мРНК, направляет синтез конкретного белка. Логическая гипотеза, которую исследовали ученые, заключалась в том, что молекулы мРНК разных типов также могут изменяться в изобилии круглосуточно синхронно с рассветом и закатом.

Исследователи выделили более 3 104 различных молекул мРНК из синапсов, каждая из которых способствует образованию отдельных белков. Примечательно, что 67% из них (2085 мРНК «транскриптов») были в изобилии на 24-часовой цикл. Это количество транскриптов мРНК, подвергающихся ежедневному ритму изменений в изобилии, больше, чем обнаружено в любой другой ткани организма на сегодняшний день. мРНК, которые увеличились в изобилии в ожидании пробуждения, кодируются белками, которые, как известно, участвуют в синаптической передаче и участвуют в обучении и памяти.

Те, которые увеличились в ожидании кодированных белков сна, участвуют в поддержании клеточных функций, контроле деления клеток и развитии.

Понимая, насколько серьезными могут стать нарушения психической функции после лишения сна, исследователи задались вопросом, не повлияет ли дневной / ночной циклы этих молекул мРНК и белка на то, что мыши не спят. Они обнаружили, что 4 часа лишения сна (плохой ночной сон), вызванные бодрствованием животных и бережным обращением с ними в определенное время в дневном / ночном цикле, мало влияли на ритмичность большинства этих циклических мРНК. Таким образом, мРНК регулировались циклом день / ночь, но белки в синапсах от этих лишенных сна животных больше не циклически изменялись.

Поскольку именно белки осуществляют клеточную деятельность и синаптическую передачу, нарушение нормального цикла синаптических белков день / ночь путем лишения сна неизбежно нарушит синаптическую функцию.

Тот факт, что цикл синаптических белков день / ночь был нарушен из-за лишения сна, но молекулы мРНК, которые служат основой для синтеза белков, сохранили свой суточный ритм, означает, что нарушение сна не оказало своего эффекта из-за нарушения считывания генетического кода от ДНК до мРНК, а скорее каким-то образом влиял на синтез белков из транскриптов мРНК. Этот тип регуляции называется «посттрансляционной» регуляцией, потому что на синтез белка влияют после того, как код ДНК транслируется в мРНК.

Авторы придерживаются мнения, что цикличность количества мРНК во время дня / ночи в синапсах регулируется процессами, которые разлагают мРНК и транспортируют их в синапс, где из них синтезируются белки. Синтез белков затем регулируется локально в пределах синапса частично уровнем активности животного во время различных фаз цикла сна / бодрствования. Если пробудиться, эта часовая регуляция синтеза белка в синапсах нарушается, и свет, так сказать, никогда не гаснет на фабриках синтеза белка в синапсах, которые вынуждены продолжать работать, лишившись сна. Это подавление цикличности циклических синаптических белков в виде часов путем пробуждения происходило независимо от того, когда в дневном / ночном цикле сон прерывался, что указывает на то, что циклы обилия синаптических белков обусловлены нервной активностью, а не внутренними часами.

Это исследование имеет важное значение для понимания того, как наш мозг набирает обороты и бездействует, как заводной механизм, в своем дневном / ночном цикле, и как люди с определенными сменами работы и другие, страдающие лишением сна люди, будут бороться с понижением умственной работоспособности.

Однако сам сон - очень сложный процесс. Каждую ночь наш мозг проходит через четкую последовательность когнитивных состояний, которые отражаются в радикальных изменениях нашей мозговой активности, функций мозга и тела.

Во время сна с быстрыми движениями глаз (REM) мозг находится в очень активном состоянии, очень похожем на бодрствующее состояние. Нейробиолог Кьяра Сирелли из отдела психиатрии Университета Висконсина в Мэдисоне, которая вместе с Джулио Тонони написала статью, сопровождающую это новое исследование, соглашается: «Эти сигналы требуют часов, чтобы измениться, потому что часы - это шкала времени сна у грызунов, а также у людей. Цель [этого исследования] состоит в том, чтобы получить полную картину общего воздействия сна», - говорит она. Дальнейшая работа потребуется для определения возможных различий между разными фазами сна.

Также важно помнить, что многие другие типы клеток головного мозга, в том числе не-нейронные клетки, называемые глией, также подвергаются ритмическим изменениям день / ночь, что Чирелли и Тонони изучили в своих собственных исследованиях по недосыпанию. Ясно, что клеточный часовой механизм мозга еще сложнее, чем это важное исследование раскрыло.