Пятнадцать лет назад странная плодовая муха-мутант привлекла внимание и любопытство доктора. Рави Аллада, эксперт по циркадным ритмам из Северо-Западного университета, привел нейробиолога к недавнему открытию того, как биологические часы животного будят его утром и укладывают спать ночью.
Оказывается, механизм часов очень похож на выключатель света. В исследовании циркадных нейронов мозга, которые определяют продолжительность ежедневного цикла сна и бодрствования, Аллада и его исследовательская группа обнаружили, что высокая активность натриевых каналов в этих нейронах в течение дня включает клетки и в конечном итоге пробуждает животное, а высокая активность калиевых каналов – ночь выключают их, позволяя животному уснуть. Продолжая расследование, исследователи были удивлены, обнаружив один и тот же переключатель сна и бодрствования как у мух, так и у мышей.
"Это говорит о том, что лежащий в основе механизм, контролирующий наш цикл сна и бодрствования, является древним," сказал Аллада, профессор и заведующий кафедрой нейробиологии в Вайнбергском колледже искусств и наук. Он является старшим автором исследования. "Этот механизм колебаний сохраняется на протяжении нескольких сотен миллионов лет эволюции. И если это у мыши, то, вероятно, и у людей."
Лучшее понимание этого механизма может привести к появлению новых лекарств для решения проблем сна и бодрствования, связанных с нарушением биоритма, сменной работой и другими проблемами, вызванными часами. В конце концов, можно будет сбросить внутренние часы человека в соответствии с его или ее ситуацией.
Исследователи называют это "велосипед" механизм: две педали, которые поднимаются и опускаются в течение 24-часового дня, передавая важную информацию о времени нейронам. То, что исследователи обнаружили, что две педали – ток натрия и ток калия – активны как у простой плодовой мушки, так и у более сложной мыши, было неожиданным.
Результаты были опубликованы сегодня в августе. 13 номер журнала Cell.
"Что удивительно, так это обнаружение одного и того же механизма контроля цикла сна-бодрствования у насекомого и млекопитающего," сказал Матье Флуракис, ведущий автор исследования. "Мыши ведут ночной образ жизни, а мухи ведут дневной образ жизни или активны в течение дня, но их циклы сна и бодрствования контролируются таким же образом."
Когда он присоединился к команде Аллады, Флоракис задался вопросом, меняется ли активность циркадных нейронов плодовой мушки в зависимости от времени суток. С помощью Indira M. Раман, профессор кафедры нейробиологии Билла и Гейл Кук, обнаружил очень сильные ритмы: нейроны срабатывали много утром и очень мало вечером.
Затем исследователи захотели узнать, почему. Именно тогда они обнаружили, что при высоком токе натрия нейроны активируются сильнее, пробуждая животное, а при высоком токе калия нейроны успокаиваются, заставляя животное уснуть. Баланс между натриевым и калиевым токами контролирует циркадные ритмы животного.
Затем Флоракис, Аллада и их коллеги задались вопросом, присутствует ли такой процесс у животных, более близких к людям. Они изучили небольшую область мозга мыши, которая контролирует циркадные ритмы животного – супрахиазматическое ядро, состоящее из 20 000 нейронов, – и обнаружили там тот же механизм.
"Нашей отправной точкой для этого исследования были мухи-мутанты, у которых отсутствовал натриевый канал, которые передвигались неуклюже и имели плохие циркадные ритмы," Аллада сказала. "Это заняло много времени, но мы смогли собрать все – геномику, генетику, исследования поведения и электрические измерения активности нейронов – вместе в этой статье, в исследовании двух видов.
"Теперь, конечно, у нас есть больше вопросов о том, что регулирует этот путь сна и бодрствования, поэтому предстоит еще поработать," он сказал.