Naukowcy z Harvardu pomagają rozwikłać tajemnicę snu

Nowe badania nad snem ujawniły zaskakujące powiązania między mózgiem a jelitami.

Sen ma ogromne znaczenie wśród ludzkich czynności – nawet jego brak przez jedną noc może utrudniać nasze funkcje poznawcze, szybkość reakcji i ogólną codzienną wydajność. Pomimo jego kluczowej roli dla zdrowia i przetrwania, naukowe zrozumienie snu jest wciąż niepełne.

Wejdź do Dragany Rogulji, neurobiologa, który stara się odkryć podstawową biologię snu.

Jako samozwańcza nowicjuszkę w nauce, Rogolję pociągają pytania, które uważa za „ogólnie interesujące i łatwe do zrozumienia na podstawowym poziomie ludzkim”.

Jedno z tych pytań… Co się dzieje, kiedy śpimy?

Dla Rogolgi, profesora nadzwyczajnego neurobiologii w Blavatnik Institute w Harvard Medical School, jednym z interesujących aspektów snu jest nieświadomość i świadomość, które przynosi, gdy świat zewnętrzny znika, a świat wewnętrzny przejmuje kontrolę.

W rozmowie z Harvard Medicine News Rogolja szczegółowo omówiła swoje badania nad snem, w których wykorzystuje muszki owocowe i myszy do zbadania, dlaczego potrzebujemy snu i jak odłączamy się od świata podczas snu.

Harvard Medicine News: Co studiujesz w kontekście snu?

Rogolja: W ciągu ostatnich kilku lat moje laboratorium zajmowało się dwiema głównymi kwestiami. Po pierwsze, dlaczego sen jest tak ważny dla przetrwania. Dlaczego jeśli nie śpisz, dosłownie niedługo potem umrzesz? Innym pytaniem jest, w jaki sposób twój mózg odłącza się od otoczenia, kiedy zasypiasz.

W jaki sposób bodźce nie docierają do mózgu podczas snu? Podniesienie progu pobudzenia sensorycznego jest niezbędne do snu, a my chcemy zrozumieć, w jaki sposób ta bariera jest budowana wokół mózgu. Sen jest jednym ujednoliconym stanem, ale wydaje się, że składa się z wielu elementów, które są regulowane przez oddzielne mechanizmy. Chcemy zrozumieć te mechanizmy.

HMNews: Jak twoje badania zmieniły sposób, w jaki myślisz o śnie?

Rogolga: Naukowcy od dawna kierują się zasadą, że sen to mózg, mózg i jeszcze raz mózg. W rezultacie badania w dużej mierze skupiły się na mózgu, szukając powodów, dla których sen jest niezbędny do przeżycia. Jednak teraz zdajemy sobie sprawę, że chociaż sen może być dla mózgu, to nie tylko dla mózgu. Spanie to bardzo stare zachowanie, które naszym zdaniem wywodzi się od pierwszych zwierząt. Te zwierzęta nie miały mózgu. Mieli po prostu bardzo prosty układ nerwowy.

Następnie, gdy zwierzęta stały się bardziej wyrafinowane, podobnie jak obiekty snu związane z mózgiem. Jednak naukowcy zajrzeli do mózgów zwierząt pozbawionych snu, aby spróbować znaleźć przyczynę ich śmierci, i nic nie znaleźli. Z drugiej strony dane kliniczne pokazują, że brak snu u ludzi prowadzi do wszelkiego rodzaju chorób w organizmie. Dla nas to naprawdę sugeruje, że sen to coś więcej niż tylko mózg.

Nasze badania mówią nam, że jeśli chodzi o sen, musimy przestać myśleć o mózgu oddzielnie od ciała. Nadal jestem pod wrażeniem stopnia, w jakim neuronaukowcy mają tendencję do myślenia o mózgu jako nadrzędnym wobec ciała i znajdującym się na szczycie hierarchii. Aby rozwiązać największe zagadki neuronauki, musimy przyjąć bardziej zintegrowane podejście, co moje laboratorium próbuje zrobić dla snu.

Odkryliśmy, że naprawdę musimy myśleć o całym ciele, aby zrozumieć sen. I to ma sens. Kiedy kładziesz się spać, mięśnie się rozluźniają, a krążenie krwi ulega zmianie. Oczywiście dotyczy to całego organizmu.

HMNews: Jakich narzędzi używasz do badania snu?

Rogulja: Historycznie przeprowadzono wiele badań snu na ludziach, ale te eksperymenty są zwykle ograniczone i opisowe, ponieważ tak naprawdę nie można przeprowadzać eksperymentów na ludziach. Jednak w ciągu ostatnich dwóch i pół dekady naukowcy zdali sobie sprawę, że muszki owocówki śpią. Niedawno odkryliśmy, że geny regulujące sen u much są zachowane u myszy.

Kiedy zaczynałem moje laboratorium, używaliśmy muszek owocowych tylko jako systemu modelowego do badania snu, ale od tego czasu udało nam się również stworzyć model myszy. Muszki owocowe pozwalają nam szybko przetestować wiele hipotez i przeprowadzić duże, bezstronne testy genetyczne, a następnie możemy przetestować to, co odkryliśmy na muszkach myszy, które są bardzo podobne do ludzi.

HMNews: W 2020 r komórka pracy, odniosłeś się do pytania, dlaczego sen jest tak ważny dla przetrwania. jaka jest odpowiedź?

Odkryliśmy, że muszki owocowe, które spały krócej, żyły krócej: zaobserwowaliśmy korelację, w której im więcej snu muszki traciły, tym szybciej umierały. Co ciekawe, wzorzec braku snu nie był znaczący. Liczy się ilość utraconego snu. Wydaje się, że istnieje punkt zwrotny, w którym brak snu został powiązany ze śmiercią, co mówi nam, że w ciele może zachodzić coś szczególnego, w przeciwieństwie do ogólnego zużycia.

Aby dokładniej to zbadać, barwiliśmy różne narządy u pozbawionych snu much pod kątem markerów uszkodzenia komórek. Odkryliśmy, że w jelitach nastąpił wzrost cząsteczek redoks, a pik redoks koreluje z punktem przegięcia, w którym muchy zaczęły umierać. Potwierdziliśmy to odkrycie u myszy pozbawionych snu. Ale kiedy podaliśmy pozbawionym snu muchom przeciwutleniacze lub włączyliśmy geny produkujące przeciwutleniacze w jelitach, odkryliśmy, że muchy mogą przetrwać przy niewielkiej ilości snu lub bez snu, co wskazuje, że jelita są naprawdę ważnym celem dla snu.

HMNews: Czy są jakieś potencjalne zastosowania dla ludzi?

Nasze odkrycia sugerują, że jeśli możemy zapobiegać stresowi oksydacyjnemu w jelitach, możemy być w stanie przeciwdziałać skutkom utraty snu. Jest to ważne, ponieważ tak wiele chorób jest związanych z dysfunkcją jelit, a wiele chorób, które pojawiają się, gdy nie masz wystarczającej ilości snu, może w rzeczywistości być wynikiem uszkodzenia jelit. Zaczynamy teraz zastanawiać się, w jaki sposób diagnozujemy stres oksydacyjny jelit spowodowany brakiem snu u ludzi. Chcemy zaprojektować „tabletki do połykania” – tabletki lub tabletki, które można połknąć i informować o stanie redoks w jelitach, na przykład zmieniając kolor stolca.

Szukamy również biomarkerów: cząsteczek już krążących w organizmie, które wskazują na zły sen i utlenianie jelit. Mam klinicystów w moim laboratorium, którzy badają myszy pozbawione snu, aby szukać takich biomarkerów. Mamy już kilka cząsteczek, które są obiecującymi markerami przeciwutleniaczy i wydaje się, że ich liczba zmniejsza się wraz z terapiami antyoksydacyjnymi. Ostatecznie możliwe może być zaprojektowanie doustnych suplementów diety w celu odwrócenia utleniania jelit z powodu braku snu.

HMNews: Właśnie opublikowałeś nowy artykuł naukowy w komórka Bada, w jaki sposób mózg odłącza się od otoczenia podczas snu. Powiedz nam więcej.

Do tej pory nie wiedzieliśmy o tym prawie nic. Nie było jasne, czy istnieje jedno miejsce w mózgu, w którym wszystkie informacje sensoryczne są tłumione podczas snu, czy też jest wiele takich miejsc. Na przykład, czy dotyk i temperatura są przetwarzane w ten sam sposób podczas snu? Iris Titos, doktor habilitowany w moim laboratorium, zbudowała system, który może dostarczać muszkom owocowym lekkie, średnie lub wysokie wibracje.

Zwykle, gdy używasz wibracji o niskiej intensywności, bardzo niewiele much się budzi, a kiedy używasz wibracji o wysokiej intensywności, prawie wszystkie muchy reagują. Następnie zrobiliśmy wielkoskalowy ekran, aby zidentyfikować geny, które kontrolują, jak łatwo budzą się muchy – geny, które sprawiają, że muchy łatwiej się budzą, oraz geny, które zasadniczo pozwalają muchom zasnąć podczas trzęsienia ziemi.

HMNews: Co pokazał ekran genetyczny?

Wyniki ekranowe były bardzo interesujące. Zidentyfikowaliśmy gen, który koduje cząsteczkę o nazwie CCHa1. Kiedy wyczerpaliśmy CCHa1 w muchach, obudziły się bardzo łatwo — więc zamiast 20 procent budziło się przy pewnym poziomie wibracji, budziło się 90 procent.

Jednakże, podczas gdy CCHa1 jest obecny zarówno w układzie nerwowym, jak i jelitach, kiedy wyczerpaliśmy go w jelitach, muchy łatwiej się budziły. Komórki w jelicie, które wytwarzają CCHa1, nazywane są komórkami enteroendokrynnymi i w rzeczywistości mają wiele wspólnych właściwości z neuronami, a nawet mogą łączyć się i komunikować z neuronami. Komórki te skierowane są do wnętrza jelita i jakby „smakują” zawartość jelita.

Odkryliśmy, że im wyższe stężenie białka w diecie, tym więcej produkowanych komórek jelitowych CCHa1. Cząsteczka ta przemieszcza się następnie z jelita do mózgu, gdzie wysyła sygnały do ​​małej grupy neuronów dopaminergicznych, które również odbierają informacje o wibracjach.

Te neurony wytwarzają dopaminę, która normalnie zwiększa pobudzenie, ale w tym przypadku tłumi pobudzenie. Wibracje tłumią aktywność neuronów dopaminergicznych, powodując, że muchy łatwiej się budzą. CCHa1 wytwarzane przez jelita zasadniczo chroni neurony dopaminergiczne przed wibracjami, pozwalając muchom na większą nieświadomość środowiska i głębszy sen.

Odkryliśmy również, że ścieżka CCHa1, choć ważna w przekazywaniu informacji mechanosensorycznych, nie ma wpływu na to, jak łatwo muchy budzą się pod wpływem ciepła, co sugeruje, że różne modalności sensoryczne, takie jak wibracje i temperatura, mogą być dyskretne. Na koniec wykazaliśmy, że dieta wysokobiałkowa poprawiła również jakość snu u myszy, czyniąc je bardziej odpornymi na zakłócenia mechaniczne. Obecnie testujemy, czy podobny szlak sygnałowy występuje u myszy.

HMNews: Co mówią ci te wyniki?

Cóż, wiemy z innych badań, że kiedy zwierzęta głodują, tłumią sen w celu zdobycia pożywienia. Z drugiej strony, kiedy są nasyceni, a zwłaszcza gdy są nasyceni białkiem, mają tendencję do dłuższego snu. Teraz wykazaliśmy, że kiedy w diecie jest więcej białka, zwierzęta śpią głębiej i stają się mniej wrażliwe. Sugeruje to, że jeśli zwierzęta nie potrzebują żerowania, mogą oddzielić się od środowiska i ukryć gdzieś do spania, co może być bezpieczniejsze. Szerzej, nasze badanie sugeruje, że wybory żywieniowe wpływają na jakość snu. Możemy teraz zbadać to powiązanie u ludzi, aby zrozumieć, w jaki sposób można manipulować dietą, aby poprawić sen.

HMNews: Czy jest coś w śnie, czego ludzie często nie rozumieją?

Rogolja: Myślę, że ludzie powinni sobie uświadomić, że to, co czujemy i to, co dzieje się w naszych ciałach, nie musi być takie samo. W naszych badaniach odkryliśmy, że możliwe jest oddzielenie uczucia senności od potrzeby snu — niektóre zwierzęta pozbawione snu niekoniecznie odczuwają senność, co możemy stwierdzić, że są, ponieważ nie spały więcej, aby żeby później zasnąć. Pozbawienie ustało, ale te zwierzęta zdechły z braku snu.

Oznacza to, że nawet jeśli uda nam się oszukać, że nie czujemy się senni, brak snu może mieć negatywny wpływ na nasze organizmy – na przykład, jeśli spożyjemy substancję, która sprawia, że ​​czujemy się rozbudzeni, taka sama ilość utleniania wystąpi w jelitach .

Ludzie mogą mówić, że wystarczy im tylko kilka godzin snu w ciągu nocy, ale chodzi im tylko o to, że mogą przetrwać cały dzień. Ich ciała wciąż rejestrują brak snu. Nie możemy tak naprawdę wiedzieć, co dzieje się w naszych ciałach w wyniku braku snu i prawdopodobnie potrzebujemy więcej snu, niż nam się wydaje.

Bibliografia: „Peptyd wydzielany w jelitach zapobiega wzbudzeniu ze snu” autorstwa Iris Titus, Aline Yoginovich, Alexandra Vaccaro, Keshi Nambara, Pavel Gorelik, Ofer Mazur i Dragana Rogolja, 22 marca 2023 r., dostępne tutaj. komórka.
DOI: 10.1016/j.cell.2023.02.022

Odniesienie: „Brak snu może spowodować śmierć poprzez gromadzenie się reaktywnych form tlenu w jelitach” Alexandra Vaccaro, Yusuf Kaplan-Durr, Keshi Nambara i Elizabeth A. Paulina, Cindy Lane i Michael E. komórka.
DOI: 10.1016/j.cell.2020.04.049

Dodatkowymi autorami artykułu Cell 2023 są Alen Juginović, Alexandra Vaccaro, Keishi Nambara, Pavel Gorelik i Ofer Mazor z HMS.

Badania były wspierane przez New York Stem Cell Foundation Narodowy Instytut ZdrowiaPew Scholars Program w naukach biomedycznych.