Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram



Библиотека

 
Д. Элленберг
«Как не ошибаться». Глава из книги


Д. Дойч
«Структура Реальности: Наука параллельных вселенных». Глава из книги


В. Власов
В окаменевших лесах Аризоны


Н. Карпушина
Сокровище геометрии


Н. Семаков, А. Ковалев, А. Павлов, О. Федотова
Куда бежит магнитный полюс?


П. Образцов
«Удивительные истории о существах самых разных». Глава из книги


Б. Дружинин
Путешествие №1 по зоопарку элементов


К. Постнов
Быстрые радиовсплески: ключ к разгадке тайны


Н. Резник
Дорога на работу — путь к артриту


В. Гаврилов
Как зимующие птицы используют людей







Главная / Новости науки версия для печати

Два независимых исследования подтвердили глобальное ослабление синапсов во время сна


Рис. 1. Рисунок, иллюстрирующий главный вывод обеих обсуждаемых работ: во время сна происходит ослабление синапсов

Рис. 1. Рисунок, иллюстрирующий главный вывод обеих обсуждаемых работ: во время сна происходит ослабление синапсов. Слева — схематическое изображение нейрона (Dendrite — дендрит, Nucleus — ядро, Cell body — тело нейрона, Synapse — синапс, Axon — аксон). Справа — синапс после бодрствования (Awake) и после сна (Asleep). Во время сна сокращается площадь контакта аксонной терминали (Axon terminal) с дендритным шипиком (Spine), а также количество глутаматных рецепторов на постсинаптической мембране. Рисунок из синопсиса к обсуждаемым статьям в Science (L. Acsády, K. D. Harris. Synaptic scaling in sleep).

Согласно «гипотезе синаптического гомеостаза», сон необходим животным, потому что усвоение нового опыта во время бодрствования происходит в основном за счет усиления, а не ослабления синаптической проводимости. Общее нарастание проводимости снижает работоспособность нервной системы, которая поэтому должна регулярно переходить в режим «офлайн», отключаясь от внешних сигналов. Это позволяет избирательно ослабить перевозбужденные синапсы, аккуратно отделяя при этом важную информацию от неважной. Двум исследовательским коллективам из США удалось получить новые независимые подтверждения этой гипотезы. Одна работа основана на трехмерной электронной микроскопии и прямом измерении синапсов, другая — на сравнении количества рецепторов и других белков в синапсах до и после сна. Оказалось, что у мышей во сне достоверно уменьшается и размер синапсов, и количество рецепторов, ответственных за прием возбуждающих сигналов.

Вопрос о том, почему животным необходим сон, до сих пор не решен окончательно, несмотря на обилие фактов и гипотез (см. ссылки в конце новости). По-видимому, должна быть какая-то общая важная причина, по которой самые разные животные — от нематод и насекомых до ящериц и людей — должны регулярно впадать в заторможенное, уязвимое состояние, почти полностью отключаясь от всех сигналов, приходящих из внешнего мира.

Красивое объяснение предлагает «гипотеза синаптического гомеостаза», впервые сформулированная около 15 лет назад нейробиологами из Висконсинского университета в Мэдисоне (см.: G. Tononi, C. Cirelli, 2014. Sleep and the Price of Plasticity: From Synaptic and Cellular Homeostasis to Memory Consolidation and Integration). «Элементы» уже рассказывали об этой гипотезе и ее эмпирических подтверждениях, полученных на дрозофиле, в новости Во время сна количество синапсов в мозге уменьшается («Элементы», 06.07.2011).

Суть идеи в том, что во время бодрствования животное постоянно усваивает новый опыт, а это сопряжено с ростом синаптической проводимости (см. Синаптическая пластичность). Как правило, чтобы что-то запомнить хотя бы ненадолго, необходимо усилить проводимость определенных синапсов: этот принцип лежит в основе памяти и обучения (см.: Нейроны соревнуются за право участия в формировании рефлексов, «Элементы», 26.04.2007). В результате общий уровень синаптической проводимости в мозге неуклонно нарастает в течение всего времени, пока животное бодрствует и активно воспринимает внешние сигналы. Ясно, что это не может продолжаться до бесконечности. Разбухшие синапсы и перевозбужденные нейроны будут потреблять всё больше энергии, а способность нервной системы к дальнейшему обучению будет снижаться.

Соответственно, сон необходим для того, чтобы вернуть нервную систему в рабочее состояние, снизив общий уровень синаптической проводимости. Заодно можно отделить в накопленном за день опыте главное от второстепенного, избирательно ослабив одни синапсы и сохранив (или даже усилив) некоторые другие. Этот гипотетический процесс называют «умным забыванием» (smart forgetting) (о консолидации памяти во сне рассказано в новостях Во время фазы медленного сна активно закрепляются новые знания, «Элементы», 21.03.2007; Мозг во сне «проигрывает» дневные события с семикратным ускорением, «Элементы», 19.11.2007).

По сути дела, гипотеза синаптического гомеостаза предполагает, что потребность во сне — это следствие неустранимого конструктивного дефекта нервной системы животных! Нервная система не может долго обрабатывать входящую информацию, не «перегреваясь», потому что усвоение новой информации идет в основном за счет потенциации (усиления) имеющихся синапсов и появления новых, а не их депрессии (ослабления) или уничтожения.

В двух статьях, опубликованных в свежем выпуске журнала Science, приводятся новые весьма убедительные подтверждения гипотезы синаптического гомеостаза.

В первом исследовании (de Vivo et al., 2017), выполненном нейробиологами из Висконсинского университета (в том числе авторами гипотезы), при помощи трехмерной электронной микроскопии (см. Serial block-face scanning electron microscopy) удалось напрямую сравнить размеры синапсов в мозге мышей до и после сна.

Размер синапса довольно строго коррелирует с его проводимостью. Поэтому гипотеза предсказывает, что во время сна синапсы в целом должны уменьшаться. Уменьшение, однако, должно быть избирательным: важные впечатления должны как-то отделяться от неважных и запоминаться надолго.

Исследователи сравнивали нейроны моторной и соматосенсорной коры у хорошо выспавшихся и у долго не спавших мышей, причем последние делились на две группы: первые не спали по собственной инициативе, потому что время суток было неподходящее (ночное, ведь мыши активны по ночам), а вторым не давали спать днем, развлекая новыми предметами обстановки.

На основе послойных электронных микрофотографий были получены трехмерные модели дендритов со всеми их шипиками и синапсами (рис. 2). В общей сложности было реконструировано 6920 синапсов 12 мышей (по 4 мыши из каждой группы), причем все исследованные образцы мозговой ткани происходили из одних и тех же двух крохотных участков коры. В качестве меры синаптической проводимости использовалась площадь контакта дендритного шипика с аксонной терминалью (ASI, axon-spine interface). Известно, что этот показатель довольно точно отражает силу синапса.

Рис. 2. Объемные реконструкции дендритов и синапсов, полученные при помощи трехмерной электронной микроскопии

Рис. 2. Объемные реконструкции дендритов и синапсов, полученные при помощи трехмерной электронной микроскопии. Слева вверху показаны участки моторной и соматосенсорной коры, из второго слоя которых брались образцы мозговой ткани. C — реконструкция четырех дендритов с шипиками в изученном образце, D — другие примеры трехмерных реконструкций дендритов, E — пример двумерного снимка, на котором видна часть дендритного шипика (выделена желтым) и часть аксонной терминали (выделена зеленым) с синаптическими пузырьками, в которых содержится нейромедиатор; поверхность контакта выделена красным. Из множества таких послойных фотографий делаются трехмерные модели нейронов. F — реконструкция синапса. dendrite — дендрит, axon — аксон, spine head — головка дендритного шипика, ASI (axon-spine interface) — поверхность контакта шипика с аксонной терминалью; по величине ASI можно судить о силе синапса. Изображение из обсуждаемой статьи de Vivo et al., 2017

Оказалось, что сон сокращает ASI в среднем на 18–19% по сравнению с бодрствованием (как добровольным, так и вынужденным). При этом диаметр дендритов остается прежним: это значит, дело не в общем сжатии нейронов а именно в уменьшении синапсов. Таким образом, подтвердилось первое предсказание гипотезы синаптического гомеостаза: синапсы действительно уменьшаются во сне.

Статистический анализ полученных данных подтвердил и второе предсказание — об избирательности уменьшения синапсов. Пропорциональному уменьшению подвергается большинство синапсов, но не все. При этом вероятность того, что синапс будет ослаблен во сне, связана обратной зависимостью с размером синапса. Наибольшие шансы остаться неуменьшенными имеют 20% самых больших синапсов. Возможно, в этих синапсах закодирована важная информация и самые сильные впечатления, которые не стоит забывать. Кроме того, авторы заметили, что уменьшение синапсов во сне сильнее выражено у дендритов с редко расположенными шипиками по сравнению с дендритами, на которых шипиков больше. Еще одна закономерность состоит в том, что пропорциональному уменьшению чаще подвергаются синапсы, в которых много эндосом.

Расчеты, основанные на другом косвенном показателе силы синапса — объеме головки дендритного шипика, — совпали с результатами, полученными на основе показателя ASI. Головки шипиков тоже уменьшаются во сне.

Второе исследование (G. H. Diering et al., 2017), проведенное нейробиологами и биохимиками из Университета Джонса Хопкинса в Балтиморе, тоже проводилось на выспавшихся и невыспавшихся мышах и тоже в общем и целом подтвердило гипотезу синаптического гомеостаза, хотя основано оно было не на трехмерной электронной микроскопии, а на протеомике.

Исследователи выделили (см.: Cell fractionation) из переднего мозга мышей фракцию постсинаптических уплотнений (Postsynaptic density, PSD) — белковых комплексов, связанных с постсинаптическими мембранами, — и сравнили количество разных белков в PSD до и после сна.

Оказалось, что во время сна в постсинаптических уплотнениях достоверно снижается содержание ряда ключевых белков, связанных с быстрой передачей нервных импульсов при помощи главного возбуждающего нейромедиатора головного мозга — глутамата. В частности, уменьшается количество белков GRIA1 и GRIA2, которые являются субъединицами (составными частями) ионотропных глутаматных рецепторов. Уменьшение количества этих рецепторов в PSD снижает чувствительность постсинаптической мембраны к глутамату, то есть непосредственно ведет к ослаблению синапса.

К таким же выводам привели прямые наблюдения при помощи двухфотонного микроскопа за нейронами живых трансгенных мышей, у которых белок GRIA1 был помечен флуоресцентной меткой. Наблюдения подтвердили, что во время сна количество GRIA1 в синапсах снижается.

Как и в первом исследовании, ослабление синапсов во сне оказалось избирательным. Авторы отметили более сильное снижение GRIA1 в тех синапсах, где во время бодрствования этого белка было больше. То есть, в отличие от первого исследования, которое показало избирательное ослабление слабых синапсов, второе исследование вроде бы показало избирательное ослабление сильных синапсов. В чем причина этого расхождения, является ли оно следствием ошибки или демонстрирует разные грани сложного процесса перестройки синапсов во сне — покажут дальнейшие исследования.

Дополнительные эксперименты позволили частично расшифровать молекулярный механизм, ответственный за ослабление синапсов во время сна. Выяснилось, что ключевую роль в этом играет белок Homer1a (короткий сплайс-вариант белка Homer1), который во время сна поступает в дендритные шипики. Homer1a разрушает связь между белками mGluR и IP3R, что через ряд промежуточных шагов приводит к уменьшению количества ионотропных глутаматных рецепторов на постсинаптической мембране. Уже было известно, что Homer1a участвует в гомеостатическом снижении чувствительности постсинаптических мембран, на которые приходит слишком много возбуждающих сигналов. Теперь стало ясно, что этот механизм участвует также и в ослаблении перевозбужденных синапсов во время сна.

В заключительной серии экспериментов авторы показали, что поступление белка Homer1a в дендритные шипики контролируется нейромодуляторами норадреналином и аденозином. Во время бодрствования в мозге повышен уровень норадреналина, что препятствует поступлению Homer1a в синапсы, хотя матричная РНК этого белка активно производится в работающих нейронах. Повышение уровня аденозина соотносится с сонливостью и способствует транспорту белка Homer1a, накопившегося в активно работающих нейронах во время бодрствования, в дендритные шипики.

Таким образом, оба исследования убедительно подтвердили гипотезу синаптического гомеостаза. Судя по всему, во время сна действительно происходит глобальное снижение уровня синаптической проводимости в мозге. Оба исследования показали, что ослабление синапсов имеет избирательный характер. Очевидно, что эта избирательность должна быть как-то связана с консолидацией памяти и с отделением важного от второстепенного, то есть с ростом отношения сигнала к шуму (Signal-to-noise ratio). Очевидно также, что имеющихся данных пока недостаточно, чтобы понять, как устроена и чем регулируется эта избирательность.

Источники:
1) Luisa de Vivo, Michele Bellesi, William Marshall, Eric A. Bushong, Mark H. Ellisman, Giulio Tononi, Chiara Cirelli. Ultrastructural evidence for synaptic scaling across the wake/sleep cycle // Science. 2017. V. 355. P. 507–510.
2) Graham H. Diering, Raja S. Nirujogi, Richard H. Roth, Paul F. Worley, Akhilesh Pandey, Richard L. Huganir. Homer1a drives homeostatic scaling-down of excitatory synapses during sleep // Science. 2017. V. 355. P. 511–515.

См. также:
1) Во время сна количество синапсов в мозге уменьшается, «Элементы», 06.07.2011.
2) Мозг во сне «проигрывает» дневные события с семикратным ускорением, «Элементы», 19.11.2007.
3) Во время фазы медленного сна активно закрепляются новые знания, «Элементы», 21.03.2007.
4) Мухи устают от общения, «Элементы», 02.10.2006.
5) Нематоды во сне перестраивают свою нервную систему, «Элементы», 16.01.2008.
6) Елена Наймарк. Наука во власти сна, «Что нового в науке и технике» №7–8, 2005.
7) Анна Хоружая. Почему человек спит?, «Популярная механика» №8, 2015.

Александр Марков


Комментарии (18)



Последние новости: НейробиологияАлександр Марков

06.03
Что общего у голых землекопов и «голых обезьян»?
28.02
Люди склонны ожидать друг от друга великодушных поступков
27.02
Перенимая опыт у товарищей, шмели подходят к делу с умом
20.02
Экстракт из старых сородичей ускоряет старение
13.02
Эволюционные последствия генных дупликаций удалось оценить количественно
31.01
Патогенная бактерия улучшает аппетит своих жертв, помогая им выживать, а себе — распространяться
24.01
Гены, способствующие получению хорошего образования, отсеиваются отбором
16.01
Описан новый надтип архей, к которому относятся предки эукариот
09.01
Эмоциональное восприятие музыки зависит от генов
04.01
Межгрупповые конфликты у шимпанзе связаны с повышенным уровнем окситоцина

Научная картинка дня


Новости науки по темам: антропология, археология, астрономическая научная картинка дня, астрономия, биология, биотехнологии, генетика, геология, затмения, информационные технологии, космос, лингвистика, математика, медицина, нанотехнологии, наука в России, наука и общество, Нобелевские премии, палеонтология, Первое апреля, психология, технологии, физика, химия, эволюция, экология, энергетика, этология

Новости науки по авторам: Валентин Анаников, Дарья Баранова, Вера Башмакова, Александр Бердичевский, Максим Борисов, Варвара Веденина, Александр Венедюхин, Михаил Волович, Михаил Гарбузов, Алексей Гиляров, Дмитрий Гиляров, Сергей Глаголев, Евгений Гордеев, Николай Горностаев, Владимир Гриньков, Дмитрий Дагаев, Юрий Ерин, Анастасия Еськова, Дмитрий Жарков, Андрей Журавлёв, Дмитрий Замолодчиков, Игорь Иванов, Вячеслав Калинин, Павел Квартальнов, Мария Кирсанова, Дмитрий Кирюхин, Александр Козловский, Юлия Кондратенко, Артем Коржиманов, Ольга Кочина, Аркадий Курамшин, Виталий Кушниров, Иван Лаврёнов, Алексей Левин, Андрей Логинов, Сергей Лысенков, Лейла Мамирова, Александр Марков, Мария Медникова, Вадим Мокиевский, Григорий Молев, Тарас Молотилин, Антон Морковин, Марат Мусин, Максим Нагорных, Елена Наймарк, Алексей Опаев, Петр Петров, Александр Пиперски, Константин Попадьин, Сергей Попов, Роман Ракитов, Татьяна Романовская, Александр Самардак, Александр Сергеев, Андрей Сидоренко, Виктория Скобеева, Даниил Смирнов, Павел Смирнов, Дарья Спасская, Любовь Стрельникова, Дмитрий Сутормин, Алексей Тимошенко, Александр Токарев, Александр Храмов, Мария Шнырёва, Сергей Ястребов, Светлана Ястребова

Новости науки по месяцам: 2017 III, II, I  2016 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2015 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2014 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2013 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2012 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2011 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2010 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2009 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2008 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2007 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2006 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2005 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I 

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):

 


Где еще почитать научные новости: «Биомолекула», «Вокруг света», Газета.ру. Наука, «Индикатор», «Наука и жизнь», Наука и технологии РФ, «Научная Россия», «Популярная механика», РИА Наука, «Чердак», N+1, Naked Science

 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия