Ученые убаюкали дрозофил

Американские ученые провели самое подробное на сегодняшний день исследование убаюкивания и его влияния на сон. Участниками в их экспериментах выступили плодовые мушки дрозофилы, которые, подобно людям и мышам, спят дольше под ритмичные покачивания. На использованных модельных организмах ученым, в частности, удалось показать, что в основе влияния убаюкивания на сон лежит привыкание к определенному стимулу, а не сенсорная адаптация в процессе. Кроме того, оказалось, что убаюкивание эффективно независимо от циркадных ритмов мушки и освещения, а заставить ее спать можно покачиваниями разной частоты — вплоть до 200 Герц. Статья опубликована в журнале Cell Reports.

Несмотря на то, что во время сна порог восприятия значительно повышается, полностью его системы не отключаются, и некоторая сенсорная стимуляция даже может положительно сказаться как на качестве сна, так и на когнитивных процессах, которые во время отдыха происходят наиболее активно (например, консолидации памяти). Например, прослушивание классической музыки во время фазы медленного сна повышает активность лобных долей в тета-диапазоне — и даже может помочь лучше сдать экзамен.

Другая распространенная стимуляция, которая может положительно повлиять на сон, — механическая, причем убаюкивания и покачивания улучшают ночной отдых не только маленьких детей, но и взрослых, а также мышей. Эксперимент с последними также показал, что сон при убаюкивании улучшается за счет стимуляции вестибулярного аппарата, но только этим механизм такого воздействия не ограничивается.

Чтобы изучить механизм воздействия покачиваний на сон подробнее, Кюнги Ко (Kyunghee Koh) из Университета Томаса Джефферсона и ее коллеги решили использовать классический модельный организм — плодовую мушку дрозофилу. Всего исследователи использовали три разные генетические линии мушек: контрольную дикого типа, мушек с мутацией гена white с белыми фасеточными глазами, более чувствительными к свету (их часто используют в исследованиях сна), и мушек, у которых содержащая white X-хромосома заменена на X-хромосому дикого типа.

Установив нормальный распорядок сна и бодрствования каждой линии мушек, ученые проверили, как на каждую из них будут влиять убаюкивания. Для этого они поместили контейнер с мушками на стеллаж, а на полку под ним поставили вихревой миксер для пробирок: когда миксер включали, вибрации от него передавались контейнеру с мушками — и так получались убаюкивания (постоянные — по 12 часов в дневное время и 12 часов в ночное).

За активностью насекомых следили с помощью камеры и инфракрасного монитора, с помощью которых насекомых подсвечивали. Оказалось, что во всех трех линиях — как среди самцов, так и среди самок — убаюкивания увеличивают продолжительность дневного сна по сравнению с контрольным условием, когда мушек не раскачивали (p < 0,001), даже несмотря на то, что в самом начале покачивания повышали их активность. Кроме того, сон оказался глубже: у убаюканных мушек порог восприятия света оказался меньше, и их сложнее было разбудить, посветив на них мигающей лампочкой.

Далее ученые сократили время убаюкивания до шести часов днем, и мушки также были менее активны во время убаюкивания. При этом их активность в последующие шесть часов, когда миксер выключали, была выше, на основании чего ученые сделали вывод, что даже непродолжительного отдыха под убаюкиванием достаточно, чтобы в остальное время мушка бодрствовала.

Так как наиболее эффективными убаюкивания оказались в дневное время, когда мушки обычно не спят, исследователи предположили, что свою роль может играть воздействие света и циркадные ритмы насекомых. Чтобы проверить это, мушек на сутки помещали либо в полностью темные контейнеры, либо в постоянно освещенные. Даже в полной темноте при убаюкивании мушки лучше спали в дневное время (p < 0,001), что говорит о том, что свет для этого необязателен.

При этом мушки из линии с white-мутацией были более активными после того, как убаюкивания прекращались, а вот насекомые из других линий — нет. Из этого исследователи сделали вывод, что на активность насекомых после убаюкивающего сна свет все-таки влияет — но только при наличии определенных генетических мутаций (а именно — чувствительности к свету).

Чтобы оценить влияние циркадных ритмов на поведение и распорядок сна мух, ученые использовали мушек с мутацией per01 гена period — так называемых «аритмичных» дрозофил, которые не демонстрируют никакого периодичного поведения в зависимости от времени суток. Даже такие мушки под убаюкивание засыпали и спали дольше (p < 0,01), что означает, что работающие внутренние часы для этого не нужны.

Затем ученые использовали четыре линии мушек с разными мутациями, сокращающими необходимую продолжительность сна. Несмотря на то, что активность ГМ-дрозофил при убаюкивании менялась в зависимости от мутации, на мушек с мутацией гена DAT, отвечающим за транспортировку нейромедиатора дофамина, убаюкивание не влияло совсем: их активность по сравнению с нормальным условием никак не изменилась. Из этого ученые сделали вывод, что убаюкивание во многом завязано на дофаминергической системе: повышенная концентрация этого нейромедиатора может повысить возбудимость мух, и покачивания не будут помогать им заснуть.

Так как влияние убаюкивания на сон может быть следствием как привыкания, так и сенсорной адаптации, ученые проверили, как мушки будут спать в двух условиях: при постоянных покачиваниях длиной в час и при периодических, длиной в две минуты. Оказалось, что мушки, которые привыкли засыпать при часовом убаюкивании, не могли заснуть, когда убаюкивания были короткие, и наоборот. Несмотря на то, что и в том, и в другом случае покачивания были одинаковы по периодичности, к изменению продолжительности мушки не смогли адаптироваться: это говорит о том, что в основе влияния убаюкивания на сон, скорее всего, лежит механизм привыкания к определенной продолжительности, а не сенсорной адаптации к периодичности.

Далее ученые решили проверить, какие именно органы и нейронные механизмы (помимо работы дофамина) отвечают за то, что мушки засыпают при убаюкивании. Для этого исследователи отобрали ГМ-мушек с удаленными нейронами, отвечающими за работу хордотональных органов — органов чувств насекомых и членистоногих. Как и предполагалось, такие мушки не стали спать больше при убаюкивании.

Тогда изначальным трем линиям мушек исследователи удалили антенны — в частности на них и располагаются органы чувств. Убаюкивания помогли заснуть только white-мутированным мушкам без антенн, что снова указывает на то, что для влияния убаюкивания на сон важна генетика. При этом органы чувств, безусловно, все равно важны для того, чтобы дрозофила могла заснуть под укачиваниями. На это указало выключение гена Gad1, отвечающего за работу главного тормозящего нейромедиатора ЦНС — гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК). Мушки с неработающей ГАМКергической системой под убаюкивания также не засыпали.

Наконец, чтобы узнать, какая именно периодичность покачиваний помогает мушкам заснуть, контейнеры с ними переместили со стеллажа с миксером на сабвуфер с подключенным акселерометром: это позволило укачивать мушек с постоянной частотой в 3, 8, 20 и 200 Герц. Убаюкивания на всех четырех частотах помогли дрозофилам заснуть, но частоты меньше были эффективнее. Интересно, что то, насколько мушки дольше спали под убаюкиваниями с разной частотой, также зависело от линии мутации.

Таким образом, ученым удалось не только показать, что дрозофилы, подобно людям и мышам, могут заснуть под ритмичные покачивания, но также провести и самое масштабное и подробное на сегодняшний день исследования механизма убаюкивания и его влияния на сон. В частности, исследователи показали, что убаюкивание — это в первую очередь привыкание к определенному стимулу, а не сенсорная адаптация под любой, что означает, что убаюкать может быть сложнее, если частота покачиваний или их продолжительность изменится.
Несмотря на то, что убаюкивание в действительности помогает дрозофилам лучше спать, сам сон для них, по-видимому, не так уж и важен: по крайней мере, в прошлом году ученые показали, что мушка в лабораторных условиях выживает даже в том случае, если ей дать поспать несколько минут в сутки. А больше о том, как ученые исследуют циркадные ритмы на примере дрозофил, вы можете прочитать в нашем материале «Ход часов лишь однозвучный», посвященном Нобелевской премии по физиологии и медицине 2017 года.

https://nplus1.ru/