Кора головного мозга способна сама подталкивать мозг ко сну, а не просто выполнять команды более глубоких структур. Исследователи обнаружили у мышей редкую группу тормозных нейронов Sst-Chodl, активация которых синхронизирует работу удалённых участков новой коры и заставляет животных быстрее засыпать.
До сих пор главную роль в запуске и поддержании сна обычно связывали с гипоталамусом, стволом мозга и другими подкорковыми структурами. Новая кора, или неокортекс, в такой схеме преимущественно реагировала на изменения, которые запускались глубже в мозге. Новая работа показывает, что по крайней мере часть корковых цепей способна активно менять состояние всего мозга.
В центре исследования оказались клетки Sst-Chodl, одновременно экспрессирующие соматостатин и хондролектин. Нейроны относятся к ГАМК-ергическим, то есть используют тормозной нейромедиатор ГАМК и способны подавлять активность других нервных клеток. На Sst-Chodl приходится менее 1% тормозных нейронов коры, однако редкость компенсируется необычным строением: длинные аксоны связывают удалённые области и позволяют одной небольшой популяции воздействовать сразу на несколько участков новой коры.
Наблюдения показали, что Sst-Chodl работают совсем не так, как многие другие тормозные нейроны. Клетки наиболее активны во время спокойного бодрствования и медленного сна, когда в коре преобладают синхронные низкочастотные ритмы. Во время движения и быстрого сна их активность резко снижается. Сигнал от Sst-Chodl также тесно менялся вместе с мощностью дельта-ритма в диапазоне 1–4 Гц.
При этом естественная активность клеток не предсказывала заранее переход ко сну. Sst-Chodl включались вместе с уже происходящими изменениями корковой активности, поэтому одних наблюдений было недостаточно, чтобы назвать нейроны причиной засыпания. Проверить причинную связь исследователи смогли только при искусственной стимуляции.
Оптогенетическая активация Sst-Chodl в зрительной коре усиливала низкочастотные колебания и синхронизацию импульсов нейронов. Эффект распространялся за пределы места стимуляции благодаря дальним отросткам Sst-Chodl. Даже во время движения, когда подобные клетки обычно почти неактивны, их включение сдвигало работу коры в сторону состояния, характерного для более низкого уровня возбуждения.
Чтобы проверить влияние непосредственно на сон, исследователи активировали Sst-Chodl по всей новой коре при помощи хемогенетического подхода. Для доставки системы использовали 22 участка, по 11 в каждом полушарии, после чего наблюдали за свободно передвигавшимися мышами. Животные проводили больше времени как в медленном, так и в быстром сне, быстрее засыпали и меньше бодрствовали.
Интересно, что отдельные эпизоды медленного сна при такой стимуляции не становились заметно длиннее. Вместо этого мыши чаще переходили ко сну, а задержка перед засыпанием сокращалась. Животные также меньше двигались и больше времени проводили в гнезде.
Эффект сохранялся даже во время тёмной фазы суток, когда мыши естественным образом наиболее активны. Искусственная активация Sst-Chodl увеличивала продолжительность медленного сна и уменьшала время до засыпания. В контрольной группе, где препарат не мог активировать нужные нейроны, сопоставимых изменений структуры сна не наблюдалось.
Анатомические эксперименты помогают объяснить необычно сильный эффект столь малочисленной группы клеток. В отличие от большинства корковых тормозных нейронов, которые в основном действуют рядом с местом расположения, аксоны Sst-Chodl проходят у мышей на миллиметры и охватывают значительную часть новой коры. Исследователи обнаружили прямые тормозные связи даже примерно в двух миллиметрах от исходного участка, причём особенно выраженное воздействие наблюдалось в глубоких слоях коры.
Авторы предполагают, что такая архитектура позволяет Sst-Chodl координировать работу удалённых нейронных сетей и переводить большие области коры в синхронный режим, характерный для медленного сна. Результаты также могут помочь объяснить феномен локального сна, при котором отдельные области коры демонстрируют соноподобную активность ещё до того, как весь организм переходит в состояние сна.
При этом с выводами стоит быть осторожнее. Эксперименты показали достаточность искусственной активации клеток для усиления сна, но не доказали, что без Sst-Chodl естественное засыпание невозможно. Неизвестно и то, запускают ли клетки переход ко сну самостоятельно или действуют совместно с уже известными центрами в гипоталамусе и других структурах мозга.
Работу также проводили на мышах. Sst-Chodl относятся к эволюционно сохранившемуся типу нейронов и встречаются у разных позвоночных, включая человека, однако аналогичная функция человеческих клеток экспериментально не подтверждена.
