В мире животных слишком продолжительная депривация сна может привести к смерти — но ученые так до сих пор и не выяснили почему. Согласно недавно опубликованным исследованиям, ответ на этот вопрос таится в неожиданном органе.  

В лабиринтах пробирок в ярко освещенной теплой комнате в Гарвардской медицинской школе не смыкают глаз сотни плодовых мушек. Вот уже несколько дней ни одной из них не удавалось заснуть: постоянные вибрации, сотрясающие помещение не дают им покоя, вынуждают жаться к колпачкам пробирок в поиске передышки. Не так далеко от них в своих собственных пробирках живут другие лишенные сна мухи — спокойные насекомые, обреченные на существование в условиях вечного дня. Генетический изъян в определенных нейронах мозга заставляет их бодрствовать на протяжении всей своей недолгой жизни.

На эту тему: Что заставляет нас спать [2]

Мухи, существующие в постоянной тряске, и их подвергшиеся генной инженерии товарки умирают очень быстро — продолжительность жизни у мухи с измененными генами вполовину короче, чем у высыпающихся особей из контрольной группы. Спустя несколько дней вынужденной бессонницы количество мух в популяции уменьшается, а затем падает до нуля. Пробирки пустеют. Остается лишь яркий свет. 

Все мы знаем, что сон необходим, чтобы оставаться в хорошей форме. Однако продолжительная депривация сна может повлечь за собой более серьезные и неотвратимые последствия: лишенные сна животные умирают. Тем не менее ученым, как ни удивительно, трудно объяснить, почему именно бессонница приводит к летальному исходу.

Считается, что сон [3] — это прежде всего неврологическое явление; тем не менее, когда животные, вынужденные слишком долго бодрствовать, умирают, в их организме обнаруживается озадачивающе разнообразный набор различных проблем, напрямую не относящихся к нервной системе. Продолжительный недостаток сна [4] как у людей, так и у лабораторных животных провоцирует проблемы со здоровьем [5], которые могут проявиться далеко не сразу: заболевания сердечно-сосудистой системы, высокое кровяное давление, ожирение и диабет. Но причиной смерти животных, полностью лишенных сна в течение нескольких дней или даже недель, становятся не эти болезни, а что-то другое.

Так чем же так важен сон, что отказ от него может привести к летальному исходу? Может ли ответ на этот вопрос стать ключом к пониманию того, зачем нам вообще нужно спать? Под бледным светом инкубаторов с лишенными сна мушками разгадать эту тайну пытается Драгана Рогулья [6] из Гарвардской медицинской школы. 

Очередным зимним утром Рогулья наклоняется к планшету в своей лаборатории — короткие темные волосы обрамляют ее похожее на эльфийское лицо — и бегло сверяется со статистикой, чтобы разъяснить некоторые из своих выводов. Рогулья — нейро- и эволюционный биолог по образованию, однако она не верит, что важнейшие последствия депривации сна возникают в головном мозге. «Проблемы могут зарождаться где угодно», — утверждает она, поясняя, что в большинстве случаев трудности выглядят совсем не так, как мы ожидаем.

Доцент нейробиологии в Медицинской школе Гарвардского университета Драгана Рогулья предполагает, что основополагающие последствия депривации сна берут свое начало за пределами мозга. «Проблемы могут зарождаться где угодно». Фото: Анна Оливелла

В пользу ее предположений говорит ряд научных работ. В своей публикации [7] в журнале Cell Рогулья и ее коллеги показывают, что после смерти, наступившей вследствие депривации сна, посмертные мутации у мух наблюдаются не в мозгу, а в кишечнике. На микроснимках голубоватые лабиринты микроскопических внутренностей мухи внезапно окрашиваются в цвет фуксии, отражая настораживающие скопления молекул, разрушающих ДНК и вызывающих повреждения клеток. Эти молекулы появляются в организме мухи вскоре после начала депривации сна, задолго до первых тревожных звоночков; если снова дать мухе поспать, розоватая дымка вскоре исчезнет со снимков. Что удивительно, если давать мухам антиоксиданты, призванные нейтрализовать действие этих молекул, можно перестать беспокоиться о том, удастся им поспать или нет. Мухи из этой группы проживут столько же, сколько и их высыпающиеся сородичи. 

Согласно результатам эксперимента, одна из основополагающих функций сна — за которой, возможно, скрывается вереница других эффектов — регулировать окислительные процессы, в ходе которых электроны сталкиваются с молекулами, вмешиваясь во все происходящие в организме процессы, включая дыхание и метаболизм. Как утверждают ученые, сон — это не только предмет научного интереса нейробиологов, но и процесс [8], связанный с пронизывающей весь животный мир биохимией.

На эту тему: Границы сознания [9]

Смертоноснее голода 

Первые исследования полной депривации сна проводились с почти маниакальной [10] жестокостью. В 1894 году в Риме русский биохимик Мария Михайловна Манасеина выступила перед Международным медицинским конгрессом с докладом об экспериментах, проведенных на десяти щенках. Манасеина и ее лаборанты не давали собакам спать, заставляя их сутки напролет пребывать в постоянном движении. В течение пяти дней все щенки умерли. Похоже, депривация сна убивала собак намного быстрее, чем голод. «Полное отсутствие сна более смертоносно для животных, нежели полное отсутствие еды», — отмечала Манасеина. 

Как показало вскрытие, у щенков были повреждены многие ткани — в особенности в мозге, где они были испещрены гематомами, повреждениями кровеносных сосудов и прочими дефектами. Поэтому, как утверждала Манасеина, сон — это не просто бесполезная привычка, а базовая необходимость для здоровья мозга.

Ученые продолжали проводить эксперименты по депривации сна. В 1898 году итальянский исследователь Ламберто Дадди опубликовал подробные рисунки мозга собак, которых на протяжении долгого времени лишали сна. Ученый отметил очевидные дегенеративные изменения в мозге, похожие на те, что происходили с мозгом собак, подвергавшихся другим стрессорам. Приблизительно в то же время схожие эксперименты проводил физиолог Цезарь Агостини: он держал собак в клетках, под завязку набитых колокольчиками, которые начинали оглушительно звенеть каждый раз, когда животное пыталось прилечь или заснуть. Похожие исследования проводили и ученые в Японии: в их опытах пол клетки был утыкан острыми гвоздями. 

Помимо последовательной жестокости, у всех подобных исследований было общее слабое место: они не контролировались должным образом. Собаки умирали, их внутренние ткани накапливали аномалии — но как доказать, что это действительно происходило из-за нехватки сна? А может все из-за того, что бесконечное движение и стимуляция губительны сами по себе? Казалось, ученым никогда не удастся разделить последствия вынужденного бодрствования и постоянного движения. 

Вращающаяся клетка

Исследователям понадобилось несколько десятилетий, чтобы вновь взяться за этот вопрос. В 1980-е годы Алан Рехтшаффен [11], специалист по проблемам сна из Университета Чикаго, известный благодаря своим прорывным исследованиям нарколепсии, начал продумывать эксперименты [12], которые смогли бы помочь отделить последствия сверхстимуляции от последствий бессонницы. Рехтшаффен разработал клетку для крыс в форме карусели, подвешенной над водой. Перегородка проходила точно по центру платформы, благодаря чему на вращающейся карусели могли в одинаковых условиях одновременно находиться две крысы. Исследователи поместили в это приспособление двух лабораторных крыс, одну из которых планировалось постоянно держать в состоянии бодрствования. Когда эта крыса пыталась заснуть, ученые начинали крутить карусель, будя обеих подопытных, которые иной раз падали прямо в воду.

Новаторство конструкции карусели заключалось в том, что, хотя обе крысы одинаково часто оказывались в воде, «контрольная» крыса все-таки могла ненадолго прикорнуть, в то время как другая испытуемая была вынуждена постоянно находиться в движении. Крысе из контрольной группы удавалось проводить во сне около 70% от своей нормы — таким образом, она испытывала лишь незначительную депривацию сна. Ее не столь везучему сородичу доставалось меньше 9% от нормы — практически постоянное бодрствование.

На эту тему: Значат ли что-нибудь сны? [13]

Обе группы крыс беспокоили с одинаковой частотой. Обе испытывали стресс от попадания в воду и необходимости карабкаться обратно. Однако только у крыс, полностью лишенных сна, начинало резко ухудшаться физическое состояние. Их мех становился растрепанным и неухоженным, его цвет менялся с белого до грязно-желтого. На коже появлялись проплешины. Они стремительно худели. В среднем спустя 15 дней с начала эксперимента они умирали. Рехтшаффен продемонстрировал, что именно депривация сна становилась летальным фактором. 

Для аспирантов, помогавших проводить эти эксперименты, дни тянулись бесконечно долго. «Лаборатория находилась в жилом доме, так что мы ночевали неподалеку от комнаты, где проходило исследование», — рассказывала Руфь Бенка [14], профессор психиатрии из Калифорнийского университета, на протяжении нескольких лет работавшая у Рехтшаффена. «Спальни исследователей находились рядом с комнатами, где содержались лишенные сна животные, чтобы ученые могли круглосуточно следить за ходом исследования». 

Однако сложность работы не ограничивалась логистикой. «Мы занимались очень жестокими экспериментами, жестокими с психологической точки зрения, с точки зрения того, что приходилось испытывать животным, — объясняет один из аспирантов Рехтшаффена, Пол Шоу [15], сейчас — преподаватель нейробиологии из Вашингтонского университета. — В последнюю неделю эксперимента мы находились в очень подавленном состоянии». Когда крысам оставалась буквально пара дней до смерти, согласно протоколу проведения эксперимента, ученым надлежало позволить им поспать и проанализировать их электроэнцефалограмму. Как вспоминает Шоу, когда на мониторе резко появлялись признаки жизни, означавшие, что животное впало в долгожданное забытье, он испытывал огромное облегчение.

«Я до сих пор живо помню эти моменты, — говорит он о расшифровках электроэнцефалограмм. — Я мог бы повесить эти снимки в рамку куда-нибудь на стену, и каждый раз, глядя на них, испытывал бы прилив радости». В то же время это был действительно захватывающий эксперимент. «Необходимо было верить в результат, чтобы как-то примириться с происходящим. По-другому ничего бы не вышло», — объясняет Шоу. Он присоединился к исследованию после того, как начинавшие эксперимент аспиранты получили научные степени и покинули лабораторию, но наслушался от них достаточно восторженных историй. «Никто не хотел защищать диссертацию», — вспоминает Шоу, поскольку, сумей студенты остаться в университете подольше, «как они думали, они бы смогли открыть основную функцию сна». 

Неясные причины смерти 

Успешные эксперименты Рехтшаффена должны были раз и навсегда помочь ученым понять, как депривация сна может приводить к смерти подопытного, что, в свою очередь, могло привести к еще большим открытиям относительно того, почему же сон настолько важен для жизнедеятельности. Однако когда ученые проводили вскрытие участвовавших в эксперименте животных, результаты лишь сильнее путали карты. Между крысами контрольной и экспериментальной групп не было устойчивых различий. Кроме того, у исследователей не получалось четко определить причину смерти. У крыс, подвергавшихся депривации сна, наблюдалась потеря веса и увеличение надпочечников — однако на этом аномалии заканчивались. «Нам не удалось установить анатомическую причину смерти», — говорилось в заключениях о смерти [12]. 

При анализе поведения животных удалось обнаружить кое-что поинтереснее. «Животные, подвергавшиеся [хронической] депривации сна в контролируемых лабораторных условиях, начинали есть в два-три раза больше, чем до эксперимента — при этом они устойчиво теряли вес, — вспоминает Кэрол Эверсон [16], профессор медицины и нейробиологии из Медицинского колледжа Университета Висконсина, также входившая в число студентов Рехтшаффена. — Мы проводили всевозможные исследования их метаболизма, чтобы попытаться обнаружить возможные нарушения». 

Тем не менее исследователи сна были убеждены, что ответы на вопрос об основополагающих функциях сна будут найдены в мозге. Джон Аллан Хобсон [17]— перспективный исследователь сна из Медицинской школы Гарварда — даже опубликовал в журнале Nature статью под заголовком «Сон мозга, волей мозга и для мозга» [18] (аллюзия на известную фразу президента США А.Линкольна «Власть народа, волей народа и для народа» — прим. Newочём). По воспоминаниям Шоу, «Это выражало дух всего сообщества исследователей сна того времени».

Значительная часть исследования проблем сна по-прежнему посвящена изучению мозга и таких явлений, как нарушение когнитивных способностей. Нехватка сна действительно влияет на человеческий метаболизм — ученым удалось установить взаимосвязи между качеством сна и диабетом, а также метаболическим синдромом — однако исследователи проблем здравоохранения часто оказываются единственными людьми, которых интересуют подобные закономерности. Те, кто стремится постигнуть основополагающую роль сна в нашей жизни, в поиске ответов очень редко обращаются к метаболизму или прочим химическим процессам. 

Реактивные формы кислорода

Приоритет работы Рогульи — изучение нейронов, участвующих в процессах регуляции сна. Однако тот факт, что депривация сна влияет на кровообращение, пищеварение, иммунную систему и обмен веществ, заставил ее задуматься о том, являются ли эти мутации прямыми последствиями неврологических сбоев или же происходят независимо от них. «Похоже, в происходящем следует винить не только мозг», — признает она. 

Рогулья знакома с экспериментами Рехтшаффена и знает, что у него были свои последователи. Как только ученым удалось установить, что полное отсутствие сна может привести к летальному исходу, частота использования контролируемой депривации как метода экспериментальной работы существенно снизилась. Но в последующие несколько десятилетий основными подопытными в области изучения сна стали плодовые мушки: их генетические особенности хорошо изучены, ими легко управлять, содержание в лаборатории обходится недорого. Многие открытия в сфере исследования сна были сделаны именно благодаря мухам, после чего находки проверялись и подтверждались на млекопитающих. Учитывая возросшую популярность мух как подопытных, исследования полной депривации сна снова заинтересовали Рогулью.

Когда в 2016 году в лабораторию Рогульи пришла аспирантка Александра Ваккаро [19], женщины разработали план исследований. Прежде всего, они получили из партнерской лаборатории генетически модифицированных плодовых мушек со встроенными в определенные нейроны каналами, чувствительными к перемене температуры. При показателях выше +28 °C каналы открывались и оставались в открытом положении, за счет чего нейроны были постоянно активны, поддерживая мух в состоянии бодрствования. С закрытыми каналами продолжительность жизни испытуемых составляла стандартные для них 110 дней. При открытых каналах уже спустя 10 дней мухи начинали умирать от полной депривации сна, а к концу 20-дневного периода вымирала вся экспериментальная популяция. 

 

Infographics для Quanta Magazine

На эту тему: Мы живем в компьютерной симуляции? Не знаю. Не исключено [20]

В ходе экспериментов Ваккаро удалось выявить ряд интересных закономерностей. Если на 10-ый день исследования она закрывала каналы и позволяла мухам заснуть, они восстанавливались и проживали столько же, сколько мухи из контрольной группы. Однако если спустя 5 или 10 дней после этого она снова лишала их сна, они умирали. Какие бы повреждения ни накапливались в течение первоначальной депривации сна, очевидно, что восстановиться полностью им не удавалось. Мухам потребовалось 15 полных дней сна, чтобы повторная депривация не привела к летальному исходу. 

При вскрытии на различных стадиях депривации сна Ваккаро не обнаружила на внутренних тканях никаких серьезных повреждений — за одним очень ярким исключением. В кишечниках обнаружилась зашкаливающая концентрация реактивных форм кислорода (РФК) — молекул с атомом кислорода, имеющих на внешней орбите свободный электрон. Определенное количество РФК выделяется за счет естественных процессов дыхания, метаболизма и иммунной защиты: иногда для выполнения специфических функций, иногда — как побочные вещества. 

Если РФК не уничтожаются антиоксидантными ферментами, они становятся чрезвычайно опасными, поскольку несбалансированный кислород отрывает электроны от ДНК, белков и жиров. И правда, после того как спустя неделю депривации сна в организме у мух появились РФК, у подопытных возросли маркеры окислительного повреждения — верный знак того, что клетки находятся в критическом состоянии.

Уровень РФК достигал максимума на 10-ый день депривации. Когда мухам снова давали возможность спать, им требовалось около 15 дней на относительную стабилизацию показателей РФК — столько же времени им требовалось, чтобы организм стал готов к повторной депривации. 

 

Александра Ваккаро, аспирант из лаборатории Рогульи, установила, что мухи могут восстановиться после депривации сна и сохранить стандартную для их вида продолжительность жизни, однако на протяжении некоторого времени чрезвычайно остро реагируют на повторную депривацию. Фото из личного архива

Рогулья и Ваккаро не ожидали получить такой отчетливый результат всего через несколько месяцев после начала работы. Он был настолько очевиден, что сразу вызывал скепсис. Когда Рогулья показала предварительные результаты на собрании ученых, занимающихся вопросами биохимии в Исследовательском центре Пью, бурная реакция аудитории обескуражила ее. «Не может все быть так просто», — отметила она, предпочитая не торопиться с выводами. 

Ваккаро, Рогулья и аспирант Йозеф Каплан Дор [19] на протяжении трех лет исследовали обнаруженную ими связь между окислительными процессами и бессонницей. Они начали действовать более традиционными методами — каждые две секунды трясли трубки с мухами — и проверяли, существует ли взаимосвязь между показателями РФК и уровнем депривации сна. Такая корреляция действительно существовала. Исследователи также обратились к мухам с мутациями, за счет которых увеличивалось время их сна или бодрствования: в кишечнике лишенных сна мух также были обнаружены РФК. А в кишечнике генетически устойчивых к недостатку сна мух РФК обнаружить не удалось. 

Наиболее странный и захватывающий этап эксперимента наступил тогда, когда исследователи решили, что, если мух убивали именно вызванные РФК окислительные процессы, то, возможно, мухам следует начать давать антиоксиданты. Поначалу это предложение звучало как какой-то хипстерский эксперимент с питанием, однако Ваккаро нашла антиоксиданты, способные воздействовать на организм мух, и начала давать их экспериментальной группе. К удивлению ученых, продолжительность жизни мух, подвергшихся полной депривации сна, вернулась к нормальным показателям. То же произошло, когда они повысили уровни антиоксидантных ферментов в кишечнике мух (но не когда они произвели аналогичную процедуру с нервной системой мух). 

«Не могу представить ничего более захватывающего, что могло бы произойти со мной в науке, — признается Рогулья, вспоминая о том лете. — Вся моя семья, вся лаборатория — после того, как мы начали давать мухам антиоксиданты, мы все стали собираться вместе по утрам, чтобы поизумляться: „Они живы! И они не просто живы, они отлично выглядят“». 

Ваккаро и технический ассистент лаборатории Кейши Намбара совместно с коллегами из лаборатории Майкла Гринберга [21] в Гарварде провели параллельную версию эксперимента, но уже с лабораторными мышами. Они поддерживали мышей в бодрствующем состоянии в течение пяти дней в клетке с вращающейся планкой, несильно подталкивавшей животных, чтобы заставить их двигаться. По истечении этого срока в кишечнике мышей было зафиксировано характерное для РФК свечение. 

Проблема с кишечником

По мнению Шоу, новая статья команды Рогульи крайне интересна. «Невероятно интересно наблюдать, как они используют весь потенциал генетики. Мы оставили эту затею с [механической] депривацией сна у мух, поскольку речь шла о длительных, мучительных экспериментах, которые сложно контролировать на предмет уровня стресса. Поскольку в исследовании команды Рогульи задействованы и генетические, и механические способы вызвать депривацию, им удалось избежать ряда проблем. Фантастика, просто фантастика… Я был очень впечатлен, — признается Шоу. — Отличный уровень контроля над исследованием». 

Однако команде по-прежнему предстоит выяснить, что же на самом деле означают результаты их исследования. Они предполагают, что сон играет важнейшую роль в процессе регулирования окислительных процессов в организме, в особенности в кишечнике, и, скорее всего, имеет ряд долгосрочных последствий для всех органов. Как пишут в своей последней статье Рогулья и Ваккаро: «Возможность предотвратить смерть каким-то одним универсальным способом означала бы, что у постепенного отказа почти всех основных органов есть некая общая причина». В случае с мухами из эксперимента такой причиной были антиоксиданты. 

 

Infographics для Quanta Magazine

На эту тему: Старение вспять и будущее человечества. Прогноз от влиятельнейшего генетика нашего времени [22]

Результаты исследования согласуются с большим количеством предшествующих экспериментов, доказывающих связь между окислительными процессами и нехваткой сна — в частности, с экспериментами Эверсон, заинтересовавшейся метаболизмом в период работы в лаборатории Рехтшаффена. Эверсон удалось достаточно рано установить, что, хотя в роли регулятора процессов сна и выступает мозг, они не ограничиваются нервной системой. На примере с подвергавшимися депривации крысами она наблюдала признаки иммунологических нарушений и появление бактерий в тканях, которые должны оставаться стерильными. Затем, в 2016 году [23], она и ее коллеги сообщили, что им удалось обнаружить окисление в тканях в печени, легких и тонкого кишечника крыс из экспериментальной группы. По словам Эверсон, маркеры воспалительных процессов часто обнаруживаются в тканях животных, переживших депривацию сна, однако ученым практически никогда не удавалось установить их источник. Если где-то в организме выходят из-под контроля окислительные процессы, вызываемые ими клеточные повреждения могут стать причиной резкого роста РФК. 

Эверсон также обнаружила, что кишки подвергавшихся депривации сна крыс истончались, в результате чего бактерии попадали в кровоток. Однако Рогулья и ее коллеги, работавшие с плодовыми мушками, не встречались с подобными случаями. В ходе их экспериментов уровни РФК повышались только в кишечнике. И, хотя лишенные сна мухи иногда начинали потреблять больше пищи, чем обычно, это никак не влияло на уровень РФК в их кишечнике. 

Ученым пока не удалось установить, как все эти детали, связанные с окислительными процессами в организмах крыс и мух, могут сложиться в единую картину. Как отмечает исследователь проблем сна из Имперского колледжа Лондона Джорджио Джилестро [24], хотя в результате экспериментов удалось понять, что мух убивают именно РФК, это не обязательно означает, что они же приводят к летальному исходу у крыс. Небольшой эксперимент, в котором принимали участие страдающие депривацией сна люди, показал, что их кишечная флора значительно изменилась [25] после вынужденной бессонницы — интригующее, но, возможно, немного преждевременное открытие, укрепляющее теорию о возможной связи между сном и кишечником. 

Возможно, самая важная проблема заключается в том, что никто не знает, откуда в организме появляются РФК и что вызывает резкий рост их концентрации в кишечнике. Какие процессы — метаболические или какие-то другие — вызывают их появление? Можно ли назвать депривацию сна основной причиной переизбытка РФК? Или нехватка сна вмешивается в естественные процессы, в обычных условиях нейтрализующие РФК? И почему вообще РФК могут быть связаны со сном? Рогулья планирует провести серию экспериментов, чтобы исследовать хотя бы некоторые аспекты этих вопросов.

На эту тему: Почему до ужаса пугают отверстия? [26]

За всеми этими экспериментами кроется потрясающий, удивительный потенциал влияния, которое может оказывать на наше тело сон. Тот факт, что процессы обучения, обмен веществ, память и огромное множество прочих функций и систем тем или иным образом зависят от сна, повышает интерес к такому естественному событию, как появление РФК. Однако даже если РФК действительно является причиной смертоносности вынужденной бессонницы, мы не обладаем достаточным количеством доказательств того, что, например, когнитивные эффекты сна проистекают из того же источника. И даже если антиоксиданты могут воспрепятствовать преждевременной смерти мух, вполне возможно, что они никак не влияют на другие функции сна — или, даже если они все-таки оказывают какое-то влияние, у него могут быть другие причины. 

Никогда не спящие мухи и их светящиеся кишечники напоминают нам, что сон — это явление, влияющее на весь организм, а не просто функция, исполняемая сознанием и мозгом. Смерть плодовых мушек может подсказать нам ответы на вопросы о том, почему депривация сна приводит к летальному исходу и как сон объединяет различные системы нашего организма. Шоу, например, было бы интересно увидеть, что будет происходить дальше в лаборатории Рогульи. «Это чрезвычайно важная проблема, — отмечает он, — и им удалось найти способ ее изучить». 

—

По материалам Quanta Magazine [27]

Автор: Вероник Гринвуд

Переводила: Софья Фальковская

Опубликовано в издании  Newочём.io [28]

---

На эту тему:

• Может ли улыбка сделать вас счастливее? [29]
• Границы сознания [9]
• Как новые технологии помогают собакам «заговорить» с людьми [30]
• Что будет после COVID-19: моральные революции - восемь перспектив [31]
• Отходы человечества: испражнения, пластик и расточительство ресурсов [32]