Два независимых исследования подтвердили глобальное ослабление синапсов во время сна

Элементы

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.

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.

Комментарии

 06.02.2017 15:20  |   Влад

Года два назад встроил периоды регуляризации в свои экспериментальные нейросети, и оно хорошо работало. По моему мнению, основанному только на экспериментах с искусственными нейросетями, это не неустранимый дефект, а фича такая, открывающая новые возможности для консолидации полезного опыта. На стадии обучения увеличить количество новых синапсов, а потом в процессе избирательной регуляризации вычистить их до исходного количества на много на много эффективнее, чем сразу запустить оба процесса обучения и и регуляризации имея дело с постоянным количеством синапсов.

Собственно приятно, что исследования на мышах подтвердили смутные гипотезы.

  06.02.2017 17:24  |   Kentavr

Чего-то я так и не смог разобраться в запутанной терминологии статьи. В частности в подписи к Рис.1 использован на мой взгляд вводящий в заблуждение перевод, который я не смог понять: "Справа — синапс после бодрствования (Awake) и после сна (Asleep)". "после бодрствования" - это значит уже когда бодрствование закончено и наступил сон, т.е. на самом деле во время сна? И соответственно "после сна" - это когда уже сон закончился, т.е. во время бодрствования? Иными словами Awake - это во время сна, а Asleep - это во время бодрствования? Вряд ли. Может, было бы правильнее написать в переводе не "после", а "во время"?

  06.02.2017 17:43  |   Alter_Ego

Это Александр ночью переводил и устал ))

Имеется в виду не просто сон и бодрствование, а состояния непосредственно до сна и после него, насколько я понял.

  06.02.2017 17:40  |   VladTmb

Столь необходимая интеллектуалам активность межнейронных контактов головного мозга очевидно связана с общей синаптической пластичностью клеток.