Засыпание и пробуждение – ключевые изменения в повседневной жизни каждого. У миллионов людей возникают проблемы с этими переходами – им трудно заснуть или спать по ночам, и им трудно бодрствовать днем. Несмотря на десятилетия исследований, как работают эти переходы – нейробиологическая механика нашего циркадного ритма – оставалось в значительной степени загадкой для ученых, занимающихся мозгом.
Однако теперь ученые из Медицинской школы Университета Мэриленда (UM SOM) определили работу ключевого пути этих процессов. Путь, который, по-видимому, играет ключевую роль в регулировании "выключатель" между бодрствованием и сном. Это первое исследование, разъясняющее этот процесс в таких биофизических деталях.
Андреа Мередит, доктор философии, доцент физиологии UM SOM, сосредоточилась на конкретной области мозга, супрахиазматическом ядре в гипоталамусе. Эта область действует как внутренние часы мозга, определяя, когда нам хочется спать, как долго мы спим и когда нам хочется встать. В супрахиазматическом ядре, известном как SCN, она сосредоточилась на определенных ионных каналах, белках, которые проводят электрический ток, передавая информацию от одного нейрона к другому. Она сосредоточилась на группе каналов, известных как калиевые каналы BK, которые, по-видимому, особенно активны в SCN.
В статье, недавно опубликованной в Nature Communications, д-р. Мередит исследовала мышей, график которых противоположен человеческому – они спят днем и бодрствуют ночью. Она обнаружила, что каналы BK активны во время бодрствования, что для мышей было ночью; в течение дня каналы ВК были неактивны. Она обнаружила, что в дневное время роль каналов BK заключается в подавлении бодрствования.
Проф. Мередит исследовала нормальных мышей, а также мышей, которые были генетически изменены таким образом, что их BK-каналы нельзя было инактивировать. Затем она записала активность в этих каналах с помощью электродов, помещенных в нейроны SCN. В мозге генетически модифицированной группы животных, которые не могли инактивировать свои BK-каналы, она обнаружила более низкие уровни нейрональной активности, что было связано с большей дневной бодрствованием. Это было необычно, потому что мыши обычно спят днем.
Новые результаты удивительны по нескольким причинам. Исследователи не знали ни о каком физиологическом процессе в организме, который полагался бы на инактивацию BK-каналов в качестве механизма. Ученые знали, что канал действует таким образом, но не знали, как нейроны использовали этот механизм для регулирования кодирования информации в головном мозге. Это первое исследование, показывающее, что инактивация BK-канала имеет решающее значение для кодирования циркадного ритма в головном мозге.
Ранее было известно, что BK-каналы важны для регулирования других физиологических функций. Они важны для активации мышц и играют важную роль в контроле артериального давления, частоты сердечных сокращений и функции мочевого пузыря. Известно, что в головном мозге BK-каналы участвуют в регуляции возбудимости нейронов и играют роль в моторном контроле, обучении и памяти. В мозге дисфункция каналов BK связана с тремором, судорогами, зависимостью и проблемами с обучением и памятью.
"Мы знали, что каналы BK очень важны по всему телу," говорит проф. Мередит. "Но теперь у нас есть веские доказательства того, что они непосредственно и непосредственно участвуют в цикле бодрствование-сон. Это действительно интересно."
Кроме того, в прошлом ученые думали, что режим срабатывания “день-ночь” в значительной степени определяется другим механизмом – количеством ионных каналов, существующих на поверхности нейронов SCN. Новая статья показала, что эта модель слишком упрощена. Новое исследование показывает, что ключевым моментом является не количество каналов, а тот факт, что каналы активируются и, что более важно, деактивируются в определенное время дня.
Открытие имеет клиническое значение. Проф. Мередит говорит, что новое понимание механизма инактивации потенциально может быть использовано для разработки лекарств, нацеленных на циркадные ритмы. Такое лекарство можно использовать для лечения нарушений сна, смены часовых поясов и сезонного аффективного расстройства, все из которых связаны с проблемами циркадных часов SCN.