Уменьшение их массы предупреждает перенасыщение нейронов — и это может быть одной из причин, почему сон вообще существует
Автор: Эд Янг
В любой момент бодрствования, осознаёте ли вы это или нет, вы поглощаете новый опыт и меняете свой мозг. В частности, некоторые ваши нейроны становятся связаны друг с другом сильнее. Места где они встречаются, называемые синапсами, становятся больше и многочисленнее, и электрический сигнал в одном из нейронов более легко приводит к другому. Таким образом, путём увеличения силы наших синапсов, мы узнаём новое и сохраняем воспоминания.
Но этому процессу есть предел.
Чтобы поддерживать данные связи требуется много энергии, и поэтому наше тело, дабы эту энергию сэкономить, не занимается укреплением синапсов на неопределённый срок. Если наши синапсы становятся чересчур сильными, то нейроны в конце концов становятся раздражительными и гиперактивными, что приводит к судорогам и эпилепсии. «Теоретически система может достичь полного насыщения — все синапсы будут сильны и не смогут стать сильнее, а значит вы не сможете обрабатывать больше информации» — говорит Ричард Хуганир из Университета Джона Хопкинса.
У наших мозгов есть способ избежать этой катастрофы. Нейроны могут сворачивать свои синапсы разом, пропорционально ослабляя их таким образом, что их относительная друг другу сила остаётся той же, однако абсолютная сила снижается. Если один синапс ранее был сильнее другого, то также и останется в итоге, хотя оба ослабнут.
В 2003 Кьяра Сирелли из Университета Висконсин-Мэдисон выдвинула теорию, что уменьшение этой массы происходит когда мы спим. Фактически, утверждает она, это может быть одной из причин, по которой сон вообще существует — чтобы обеспечить спокойное время, когда наш мозг может эффективно реанимировать наши синапсы в ходе подготовки к новому дню обучения. Это может частично объяснить почему сон столь универсально распространён среди животных, и почему наши умственные способности снижаются после бессонной ночи. Сон — это цена, которую мы платим за способность к обучению.
Теперь, работая независимо друг от друга, Сирелли и Хуганир нашли доказательства этой идеи.
Команда Сирелли изучила мозги мышей, как бодрствующих так и спящих, и использовала мощный микроскоп чтобы измерить размер почти 7000 синапсов. «Это заняло 4 года ручной работы 6 человек» — говорит она. Руководителем команды исследователей была Луиза де Виво, которая обнаружила, что в среднем синапсы сокращаются во время сна. В частности, площадь контактов, на которой встречаются два нейрона, становится у спящих животных на 18-20 процентов меньше по сравнению с теми, кто бодрствует — явный признак того, что они ослаблены. Как и предсказывалось, они сокращаются в одинаковой пропорции по отношению друг к другу.
В то время как команда Сирелли сфокусировалась на физическом размере спящих синапсов, группа Хуганира изучала их химию. В частности, рецепторные белки — маленькие док-станции в синапсах, которые позволяют нейронам получать химические сообщения от соседей. Уровни этих рецепторов и в частности класс известный как рецепторы-АМРА — хороший индикатор силы синапсов. И эта сила, как было продемонстрировано членом команды Грэхэмом Виерингом, снижается в ходе сна.
Он изолировал большую группу синапсов из мозгов мышей, как спящих, так и бодрствующих, и измерил уровни тысяч белков. Он также пометил некоторые рецепторы флуоресцентными молекулами и использовал микроскоп, чтобы отслеживать их в мозгах живых грызунов. Оба метода показали, что множество рецепторов, в том числе АМРА, отдаляются от синапса когда мышь спит. «Состав синапса действительно полностью меняется в зависимости от того спит мозг или бодрствует» — говорит Хуганир.
Однако не сё так просто. На основе своих данных Де Виво вычислила, что около 20 процентов синапсов — самые крупные, и поэтому сильнейшие — не подвержены уменьшению. И пока непонятно что это означает. «Наша интерпретация заключается в том, что самые крупные синапсы — те, которые находятся на одном месте в течение длительного времени» — говорит Сирелли — «могут быть хранилищами очень сильных воспоминаний — вроде имени вашей мамы — которые вы вряд ли забудете, даже если полностью лишитесь сна. Большинство синапсов, которые уменьшаются, могут быть теми, которые принимали активное участие в запоминании недавних событий. Если они не связаны с чем-то, что происходит в последующие дни, они исчезнут. Таково моё предположение».
Следующий шаг, говорит учёный, это изучение тех же самых синапсов с течением некоторого времени, дабы отследить как они меняются химически и физически в зависимости от получения животным новой задачи, от того спит ли оно или бодрствует. А что если синапс, который участвовал в недавнем обучении, не уменьшается во время сна, в отличие от большинства соседей?
Вполне возможно, что синапсы могут как слабеть, так и становиться сильнее в ходе сна, говорит Амита Сегал из Университета штата Пенсильвании. «У взрослых животных, подвергшихся воздействию значительной сенсорной стимуляции во время бодрствования, уменьшение может доминировать,» говорит она. «Но в других условиях, например, в начале жизни» усиление может быть более важным.
Существуют и другие теории о функции сна. Одна из них гасит, что сон обеспечивает мозгу возможность очистить себя, удалить вредные токсины и восстановить изношенные клетки. Другая предполагает, что сон даёт мозгу шанс консолидировать воспоминания, которые были созданы в течение дня. Идея сна как периода изменения масштаба синапсов не противоречит ни одному из этих объяснений, и, возможно, просто дополняет их.
«В последние годы мы получили доказательства того, что сон играет важную роль не только в том, чтобы запомнить актуальную информацию, но и в том, чтобы забыть неактуальную” — говорит Сирелли. Возможно уменьшение массы синапсов — часть этого «умного забывания». Если представить себе как много деталей существует в вашей жизни, то, согласитесь, это неплохо!
Эд Янг — журналист издания The Atlantic, в котором он отвечает за науку.
Оригинал: The Atlantic
