Нейростарости: «повелителем» сна оказался ионный канал

Как мозг решает, когда нам спать, а когда — просыпаться и заниматься ежедневными заботами? Кто этот таинственный часовщик, ежедневно переводящий наши внутренние часы в различные состояния? Наконец, удалось получить ответ на эти вопросы. Учёные Школы медицины Университета штата Мэриленд (University of Maryland School of Medicine, UM SOM) определили, как работает ключевой путь для фазого перехода между сном и борствованием. Он, по-видимому, играет главную роль именно в регулировке «переключателя». Исследование, опубликованное в Nature Communications, — первое, которое объясняет этот процесс в настолько подробных биофизических деталях. Открытие впоследствии может привести (и приведёт) к созданию более эффективных методов лечения бессонницы и последствий смены часовых поясов.

Мыши спят днём, и BК-каналы заторможены. Их дневная инактивация определяет высокую активность нейронов СХЯ, что заставляет мышей погружаться в сон. Ночью BК-каналы  становятся активными, запуская ток ионов калия (K+), что нейрональную активность снижает. А это, в свою очередь, приводит к тому, что мыши просыпаются и, например, бегают в колесе. Эта связь между нейрональной активностью и циклами сна/бодрствования напоминает таковую у людей, только смена происходит наоборот. Схема: Андреа Мередит.

Сон и бодрствование — это основные два состояния, в которых поочерёдно пребывает человек всю свою жизнь. Но миллионы людей имеют проблемы с переходами между ними — им тяжело заснуть или спать по ночам, не просыпаясь, а затем крайне трудно бодрствовать в течение дня. Несмотря на десятилетия исследований того, как эти переходы работают, внутренние механизмы циркадного ритма остаются во многом загадкой для нейробиологов. Но совсем недавно появилось исследование, благодаря которому ситуация, наконец, может измениться.

Андреа Мередит (Andrea Meredith), доцент кафедры физиологии UM SOM, сфокусировала своё внимание на определенной области мозга — супрахиазматических ядрах гипоталамуса. Этот регион выступает в качестве внутренних часов, определяющих то, когда нам пора спать, как долго организму необходим сон и когда приходит время просыпаться. В супрахиазматическом ядре, которое специалисты сокращённо называют СХЯ, исследовательница сосредоточилась на ионных каналах, которые проводят электрический ток, передавая информацию от одного нейрона к другому. Таким образом, нашлась группа структур, известных как BК-каналы (Big K-channels, род калиевых канальных белков), которые оказались наиболее активными именно в СХЯ.

Доктор Мередит проводила исследования на мышах, чей график полностью противоположен людскому — они спят днём и бодрствуют ночью. Она обнаружила, что BК-каналы активны во время бодрствования, которое для мышей приходилось на ночной период; днём же они не работали.

Исследовательская группа изучала как нормальных мышей, так и генетически модифицированных таким образом, чтобы активность их BК-каналов не подавлялась. Затем учёные записывали её через электроды, помещённые в нейроны СХЯ. В мозге генетически модифицированной группы животных, где каналы не подвергались инактивации, отмечался более низкий уровень нейрональной активности, и это связывалось с продолжительным дневным бодрствованием. А для мышей, как вы помните, это нехарактерно.

Новые результаты в некотором роде удивительны по нескольким причинам. Исследователи до этого не знали, что любой физиологический процесс в организме, который опирается на инактивацию BК-каналов, можно воспринять как определённый механизм. Учёные знали, каким образом функционируют эти каналы, но не понимали, как именно нейроны используют этот механизм для того, чтобы регулировать кодировку информации в мозге. Это первое исследование, которое явно продемонстрировало, что обнаруженный процесс определяет циркадный ритм.

Ранее специалисты уже знали BК-каналы в качестве регулятора других физиологических функций. Они важны для активации мышц и играют важную роль в контроле артериального давления, частоты сердечных сокращений и функций мочевого пузыря. Мозговые функции этих каналов заключались в регуляции возбудимости нейронов, а также в контроле движения, обучения и памяти. Поэтому если вдруг каналы «выходят из строя», то клинически это проявляется в виде тремора, судорог, развития зависимости от чего-либо, а также проблем с обучением и памятью.

«Мы знали, что BК-каналы имеют ключевое значение для многих функций. Но теперь у нас появились убедительные свидетельства, что они ещё и специфически регулируют цикл бодрствование-сон. Это очень интересно! »,  — отмечает профессор Мередит.

Немногим ранее считалось, что смена «день/ночь» во многом обусловлена иным механизмом — количеством ионных каналов, которые располагаются на поверхности нейронов СХЯ. Но оказалось, что эта модель слишком упрощенная: главную роль играет не количество каналов, а то, что они активизируются и «замолкают» в определённое время суток.

Открытие имеет важное клиническое значение. Профессор Мередит обращает внимание на то, что новое понимание механизма инактивации потенциально сможет использоваться в разработке лекарственных средств, предназначенных для коррекции циркадных ритмов. Таким лекарством смогут корректировать проблемы со сном, лечить синдром смены часовых поясов, сезонное аффективное расстройство, а также все остальные патологии, связанные с нарушением работы СХЯ.

Текст: Анна Хоружая

BK channel inactivation gates daytime excitability in the circadian clock

Joshua P. Whitt, Jenna R. Montgomery & Andrea L. Meredith

Nature Communications 7, Article number: 10837 (2016)

doi:10.1038/ncomms10837

Как мозг решает, когда нам спать, а когда — просыпаться и заниматься ежедневными заботами? Кто этот таинственный часовщик, ежедневно переводящий наши внутренние часы в различные состояния? Наконец, удалось получить ответ на эти вопросы. Учёные Школы медицины Университета штата Мэриленд (University of Maryland School of Medicine, UM SOM) определили, как работает ключевой путь для фазого перехода между сном и борствованием. Он, по-видимому, играет главную роль именно в регулировке «переключателя». Исследование, опубликованное в Nature Communications, — первое, которое объясняет этот процесс в настолько подробных биофизических деталях. Открытие впоследствии может привести (и приведёт) к созданию более эффективных методов лечения бессонницы и последствий смены часовых поясов.

Мыши спят днём, и BК-каналы заторможены. Их дневная инактивация определяет высокую активность нейронов СХЯ, что заставляет мышей погружаться в сон. Ночью BК-каналы  становятся активными, запуская ток ионов калия (K+), что нейрональную активность снижает. А это, в свою очередь, приводит к тому, что мыши просыпаются и, например, бегают в колесе. Эта связь между нейрональной активностью и циклами сна/бодрствования напоминает таковую у людей, только смена происходит наоборот. Схема: Андреа Мередит.

Сон и бодрствование — это основные два состояния, в которых поочерёдно пребывает человек всю свою жизнь. Но миллионы людей имеют проблемы с переходами между ними — им тяжело заснуть или спать по ночам, не просыпаясь, а затем крайне трудно бодрствовать в течение дня. Несмотря на десятилетия исследований того, как эти переходы работают, внутренние механизмы циркадного ритма остаются во многом загадкой для нейробиологов. Но совсем недавно появилось исследование, благодаря которому ситуация, наконец, может измениться.

Андреа Мередит (Andrea Meredith), доцент кафедры физиологии UM SOM, сфокусировала своё внимание на определенной области мозга — супрахиазматических ядрах гипоталамуса. Этот регион выступает в качестве внутренних часов, определяющих то, когда нам пора спать, как долго организму необходим сон и когда приходит время просыпаться. В супрахиазматическом ядре, которое специалисты сокращённо называют СХЯ, исследовательница сосредоточилась на ионных каналах, которые проводят электрический ток, передавая информацию от одного нейрона к другому. Таким образом, нашлась группа структур, известных как BК-каналы (Big K-channels, род калиевых канальных белков), которые оказались наиболее активными именно в СХЯ.

Доктор Мередит проводила исследования на мышах, чей график полностью противоположен людскому — они спят днём и бодрствуют ночью. Она обнаружила, что BК-каналы активны во время бодрствования, которое для мышей приходилось на ночной период; днём же они не работали.

Исследовательская группа изучала как нормальных мышей, так и генетически модифицированных таким образом, чтобы активность их BК-каналов не подавлялась. Затем учёные записывали её через электроды, помещённые в нейроны СХЯ. В мозге генетически модифицированной группы животных, где каналы не подвергались инактивации, отмечался более низкий уровень нейрональной активности, и это связывалось с продолжительным дневным бодрствованием. А для мышей, как вы помните, это нехарактерно.

Новые результаты в некотором роде удивительны по нескольким причинам. Исследователи до этого не знали, что любой физиологический процесс в организме, который опирается на инактивацию BК-каналов, можно воспринять как определённый механизм. Учёные знали, каким образом функционируют эти каналы, но не понимали, как именно нейроны используют этот механизм для того, чтобы регулировать кодировку информации в мозге. Это первое исследование, которое явно продемонстрировало, что обнаруженный процесс определяет циркадный ритм.

Ранее специалисты уже знали BК-каналы в качестве регулятора других физиологических функций. Они важны для активации мышц и играют важную роль в контроле артериального давления, частоты сердечных сокращений и функций мочевого пузыря. Мозговые функции этих каналов заключались в регуляции возбудимости нейронов, а также в контроле движения, обучения и памяти. Поэтому если вдруг каналы «выходят из строя», то клинически это проявляется в виде тремора, судорог, развития зависимости от чего-либо, а также проблем с обучением и памятью.

«Мы знали, что BК-каналы имеют ключевое значение для многих функций. Но теперь у нас появились убедительные свидетельства, что они ещё и специфически регулируют цикл бодрствование-сон. Это очень интересно! »,  — отмечает профессор Мередит.

Немногим ранее считалось, что смена «день/ночь» во многом обусловлена иным механизмом — количеством ионных каналов, которые располагаются на поверхности нейронов СХЯ. Но оказалось, что эта модель слишком упрощенная: главную роль играет не количество каналов, а то, что они активизируются и «замолкают» в определённое время суток.

Открытие имеет важное клиническое значение. Профессор Мередит обращает внимание на то, что новое понимание механизма инактивации потенциально сможет использоваться в разработке лекарственных средств, предназначенных для коррекции циркадных ритмов. Таким лекарством смогут корректировать проблемы со сном, лечить синдром смены часовых поясов, сезонное аффективное расстройство, а также все остальные патологии, связанные с нарушением работы СХЯ.

Текст: Анна Хоружая

BK channel inactivation gates daytime excitability in the circadian clock

Joshua P. Whitt, Jenna R. Montgomery & Andrea L. Meredith

Nature Communications 7, Article number: 10837 (2016)

doi:10.1038/ncomms10837