Исследование было опубликовано в номере журнала Neuron от 5 марта.«Когда мы впервые говорим людям, что проверяем, участвует ли мелатонин во сне, мы часто получаем ответ:« Разве мы этого не знаем? »- говорит доцент биологии Дэвид Пробер. «Это разумный ответ, основанный на статьях в газетах и о продуктах с мелатонином, доступных в Интернете. Однако, хотя некоторые научные исследования показывают, что дополнительный мелатонин может помочь улучшить сон, во многих исследованиях этого не наблюдалось, поэтому эффективность добавок мелатонина является спорной. Что еще более важно, эти исследования ничего не говорят вам о том, что мелатонин естественного происхождения обычно делает в организме ».
Когда вы начинаете чувствовать усталость, действуют несколько факторов. Считается, что сон регулируется двумя механизмами: гомеостатическим механизмом, который реагирует на внутренние сигналы организма о сне, и циркадным механизмом, который реагирует на внешние сигналы, такие как темнота и свет, сигнализируя о подходящем времени для сна и бодрствования.В течение многих лет исследователи знали, что выработка мелатонина регулируется циркадными часами, и что животные производят больше гормона ночью, чем днем.
Однако одного этого факта недостаточно, чтобы доказать, что мелатонин способствует сну. Например, хотя ночные животные спят днем и активны ночью, они также производят больше всего мелатонина ночью.В надежде раз и навсегда определить, какую роль гормон на самом деле играет во сне, Пробер и его команда из Калифорнийского технологического института разработали эксперимент с использованием личинок рыбок данио, организма, обычно используемого в исследовательских исследованиях из-за его небольшого размера и хороших качеств. охарактеризованный геном.
Как и люди, рыбки данио ведут дневной образ жизни — днем бодрствуют, а ночью спят — а ночью вырабатывают мелатонин.
Но как точно определить, уснул ли молодой данио? Существуют поведенческие критерии, в том числе время, необходимое рыбке данио, чтобы отреагировать на раздражитель, например, на удар по аквариуму. «Основываясь на этих критериях, мы обнаружили, что если личинки рыбок данио не двигаются в течение одной или более минут, они находятся в состоянии сна», — говорит Пробер.Чтобы проверить влияние естественного мелатонина на сон, исследователи сначала сравнили режим сна нормальных или «дикого» личинок рыбок данио с таковыми личинок рыбок данио, которые не могут производить гормон из-за мутации в гене, называемом aanat2. Они обнаружили, что рыба с мутацией спит вдвое меньше, чем нормальная рыба.
И хотя нормальная рыба данио начинает засыпать примерно через 10 минут после "отбоя" — примерно столько же времени требуется человеку, чтобы заснуть, — мутантной рыбе aanat2 потребовалось примерно в два раза больше времени.«Этот результат был неожиданным, потому что он предполагает, что почти половина сна, который личинки получают ночью, связана с действием мелатонина», — говорит Пробер. «Это говорит о том, что мелатонин обычно играет важную роль во сне, и что этот природный мелатонин необходим как для того, чтобы засыпать, так и для того, чтобы спать».
Как у людей, так и у рыбок данио мелатонин вырабатывается в части мозга, называемой шишковидной железой. Чтобы подтвердить, что вызванное мутацией сокращение сна на самом деле было связано с нехваткой мелатонина, исследователи затем использовали лекарство, которое специально убивает клетки шишковидной железы, тем самым останавливая производство гормона. Рыбы, получавшие лекарственные препараты, показали такое же сокращение сна, как и рыбы с мутировавшим aanat2. Когда медикаментозное лечение прекратилось, позволив клеткам шишковидной железы восстановиться, рыба вернулась к нормальному режиму сна.
Как известно, режим сна, как и многие другие биологические и поведенческие процессы, регулируется циркадными часами. В организме циркадные часы согласовывают эти процессы с ежедневными изменениями в окружающей среде, такими как дневной свет и темнота ночью.
Однако, хотя о том, как работают циркадные часы, известно очень много, не было известно, как часы регулируют сон. Поскольку исследователи определили, что мелатонин способствует естественному сну, они затем спросили, опосредует ли мелатонин циркадную регуляцию сна.
Сначала они вырастили личинок как дикого типа, так и мутантных рыбок данио aanat2 в нормальном цикле свет / темнота — 14 часов света, а затем 10 часов темноты — чтобы вовлечь их циркадные часы.
Затем, когда личинкам исполнилось 5 дней, они переключили обе популяции в среду постоянной темноты. В этом состоянии «свободного хода» циркадные часы продолжают работать в отсутствие ежедневных световых и темных сигналов из окружающей среды.
Как и ожидалось, рыбы дикого типа сохранили свой обычный циркадный цикл сна. Однако у мутантов aanat2, лишенных мелатонина, циклический режим сна не наблюдался.«Это было действительно удивительно, — говорит Пробер. «В течение многих лет люди искали у грызунов фактор, необходимый для циркадной регуляции сна, и нашли несколько других молекул-кандидатов, которые, как мелатонин, регулируются циркадными часами и могут вызывать сон при введении в виде добавок.
Однако , мутанты, у которых отсутствуют эти факторы, имели нормальные циркадные циклы сна », — говорит Пробер. «Одна мысль заключалась в том, что, возможно, все эти молекулы работают вместе и что вам придется произвести мутации в нескольких генах, чтобы увидеть эффект. Но мы обнаружили, что устранение одной молекулы, мелатонина, — это целое шоу.
Это одно из тех редких и удивительно четкие результаты ".Обнаружив, что мелатонин необходим для суточной регуляции сна, Пробер затем хотел спросить, как он это делает. Чтобы выяснить это, Пробер и его коллеги обратили внимание на нейромодулятор под названием аденозин — часть гомеостатического механизма, который способствует сну. Поскольку животное расходует энергию в течение дня, аденозин накапливается в мозгу, заставляя животное чувствовать себя все более и более усталым — давление, которое снимается во время сна.
Исследователи лечили как дикого типа, так и мутантных рыб aanat2 с дефицитом мелатонина лекарствами, которые активируют передачу сигналов аденозина. Они обнаружили, что, хотя препараты не влияли на рыб дикого типа, они восстанавливали нормальное количество сна у мутантов aanat2.
Этот результат предполагает, что мелатонин может способствовать засыпанию, частично за счет включения аденозина, обеспечивая давно желанную связь между гомеостатическими и циркадными процессами, регулирующими сон.Пробер и его коллеги предполагают, что циркадные часы управляют выработкой мелатонина, который затем способствует сну с помощью еще не определенных механизмов, а также стимулирует выработку аденозина, тем самым способствуя сну через гомеостатический путь.
Хотя для подтверждения этой модели необходимы дополнительные эксперименты, Пробер говорит, что предварительные результаты могут также дать представление о сне человека.«Рыбки данио — позвоночные животные, и их мозг по структуре похож на наш.
Все маркеры, которые мы и другие тестировали, экспрессируются в тех же областях мозга рыбок данио, что и в мозге млекопитающих», — говорит он. «Сон рыбок данио и человеческий сон, вероятно, в чем-то различаются, но все наши лекарственные препараты и генетические данные показывают, что одни и те же факторы — действуя через одни и те же механизмы — имеют сходное влияние на сон у рыбок данио и млекопитающих».Работа Пробера с суточной регуляцией сна следует концептуальным и физическим стопам покойного генетика из Калифорнийского технологического института Сеймура Бензера, основавшего генетические исследования циркадных часов.
В экспериментах на плодовых мушках Бензер и его аспирант, покойный Рональд Конопка (доктор философии ’72), обнаружили первых мутантов с циркадным ритмом. Бензер скончался в 2007 году, и когда Пробер пришел в Калифорнийский технологический институт в 2009 году, ему предложили бывший офис и лабораторию Бензера. «Работа Сеймура Бензера с плодовыми мушками положила начало нашему пониманию молекулярных циркадных часов, — говорит Пробер, — поэтому пребывание в этом пространстве действительно особенное, и отрадно, что мы делаем следующий шаг на основе его работы. "