Нематоды во сне перестраивают свою нервную систему

Американские ученые смогли доказать, что круглые черви периодически погружаются в состояние покоя, которое по некоторым свойствам напоминает сон высших животных. Сам период покоя, или летаргия, имеет неоднородную структуру, то есть интервалы неподвижности прерываются короткими всплесками активности. Летаргия предваряет процесс периодических линек, а у взрослых червей летаргии не обнаружено. Судя по двигательным реакциям червя, во время летаргии происходит образование синапсов и подстройка нервной системы к новым потребностям перелинявшего животного.

Что такое сон, когда и у каких существ он появился и зачем вообще нужно спать — на эти вопросы у ученых пока нет точных ответов. На фоне этой неопределенности впечатляет своей основательностью и фактической обоснованностью новое исследование сна, проведенное группой специалистов из Медицинской школы Пенсильванского университета (Филадельфия, США) и Юго-западного медицинского центра Техасского университета (Даллас, США). Примечательно, что ученые исследовали сон у... круглых червей нематод. Ученым удалось доказать, что даже такие древние и примитивные животные, как нематоды, имеют состояние покоя, по многим признакам сходное со сном насекомых и высших позвоночных. Кроме того, специалисты-сомнологи теперь получили исключительно удобный объект для исследований. Ведь нематода Caenorhabditis elegans — а именно она стала главной героиней исследования — досконально изучена и генетиками, и эмбриологами, и биологами.

Для начала нужно было показать, что у нематод имеется два различных состояния — активное и относительно неподвижное. С помощью видеокамеры исследователи фиксировали положение червя каждые 10 секунд и затем, сравнивая картинки, оценивали активность движения червя на бактериальной питательной среде. В результате такого видеонаблюдения выяснилось, что перед каждой линькой (ценорабдитис линяет 4 раза) червяк двигается значительно реже и меньше и сохраняет неподвижность сравнительно дольше. Так что на графиках «количества движений» появилось 4 пика, отражающих малую активность. Между линьками проходило примерно 10-11 часов, из которых период малой активности занимал около 2 часов. Этот период относительного покоя назван летаргическим. Летаргический период сам по себе не однородный: несколько раз за это время червяк совершает быстрые движения, то есть на фоне покоя фиксируются 10–15-секундные всплески активности. У взрослого животного таких летаргических периодов не наблюдали. То есть, грубо говоря, картина выглядит так: нематода 9 часов бодрствует, затем два часа спит, во сне ворочается, затем линяет, и этот цикл повторяется 4 раза.

Конечно, обнаруженное у нематод летаргическое состояние настоящим сном никто не называет, хотя некоторые черты этого состояния повторяют свойства сна у высших животных: во-первых, это замедленная реакция на раздражители по сравнению с активным состоянием; во-вторых, если некоторое время не давать червю «спать», то затем реакция на раздражители еще сильнее ослабляется, то есть летаргия становится более глубокой. Реакцию на раздражители исследователи проверяли по скорости и разнообразию двигательных ответов на химический стимул и на механический толчок — в обоих случаях было отмечено явное замедление реакции и снижение разнообразия реакций у животных в летаргическом состоянии. А депривация, лишение сна, достигалась путем механического раздражения червя. То есть через 9 часов после предыдущей линьки, когда теоретически нематода уже готова перейти в летаргию, каждую минуту исследователь касался ресничкой ее хвоста. В результате нематода вынуждена была постоянно двигаться. Когда депривацию прекращали, червяк немедленно переходил к летаргическому состоянию, и можно было проверять реакцию на стимулы.

И действительно, после 20–30-минутной депривации реакции на стимулы замедлялись, то есть «сон» становился более глубоким. Ученые отметили тот важный факт, что линька после летаргии, сколько бы ни длилась депривация, наступает и заканчивается в строго фиксированный момент времени. Просто время депривации компенсируется изменением структуры самой летаргии: во время летаргии увеличивается общая продолжительность неподвижности за счет уменьшения числа и консолидации всплесков активности.

Таким образом, ценорабдитис переживает состояния покоя, во время которых чувствительность нейронов остается на прежнем уровне, так как специфические реакции на раздражители всё же фиксируются. Но зато в это время снижена скорость и эффективность обработки сигналов, идущих от чувствительных нейронов к мускулатуре. В результате замедляются и становятся менее разнообразными движения червя.

В качестве очень логичной гипотезы ученые предложили следующее объяснение. Летаргия случалась каждый раз перед линькой. Во время линьки животное приобретает новую морфологию, требующую определенной реакции на окружающий мир. Во время летаргии нейроны перестраиваются, формируются новые синаптические контакты, в результате нервная система настраивает поведение морфологически иного животного, приспосабливая его к окружающей среде. Во взрослом состоянии таких настроек не требуется, потому и летаргия отсутствует. Если отбросить немедленно возникающие аналогии обучения и закрепления пережитого во сне у высших животных (так как аналогии — это красиво, но не научно), то всё же останутся замечательные научные подтверждения сходства сна высших млекопитающих и нематод. Ведь и у высших млекопитающих во время сна формируются новые синапсы, тогда как при депривации образование новых синапсов приостанавливается.

Один из генов (egl-4), который экспрессируется в чувствительных нейронах и отвечает за пищевое поведение, как выяснилось, играет определенную роль и в регуляции летаргии. Мутанты с повышенной экспрессией этого гена «спят» больше, и иногда даже во взрослом состоянии реакции у них замедлены по сравнению с нормой. А у тех мутантов, у которых этот ген экспрессируется ниже нормы, реакция на стимулы, наоборот, ускорена.

Аналог этого гена у дрозофил также отвечает за переход к состоянию покоя или сна. По мнению авторов работы, это со всей очевидностью говорит о том, что сон у нематод и членистоногих имеет общее происхождение и сходные функции. Сам этот ген и у нематод, и у членистоногих регулируется молекулой сGMP (циклический гуанозинмонофосфат) . Это соединение известно у всех животных и у человека, оно играет важную роль, в частности, в регулировании работы натриевых каналов клеточной мембраны, но до сих пор не было известно, что оно может так или иначе быть связано со сном. В пресс-релизе Пенсильванского университета подчеркивается именно эта часть исследования, сулящая новые эффективные средства, нормализующие сон. Хотя в действительности, несравненно более важной и интересной частью этого исследования является обнаружение сна у низших животных и доказательство функции сна хотя бы для них.