Ключ к разгадке вопроса о необходимости сна может крыться в митохондриях

Фото из открытых источников

Сон может быть не просто отдыхом для ума, но и важным средством поддержания энергии организма. Новое исследование учёных Оксфордского университета, опубликованное в журнале Nature, показывает, что потребность во сне возникает из-за накопления электрического напряжения в крошечных генераторах энергии внутри клеток мозга.

Это открытие предлагает физическое объяснение биологической потребности во сне и может изменить взгляд ученых на сон, старение и неврологические заболевания.

Группа исследователей под руководством профессора Геро Мизенбёка с кафедры физиологии, анатомии и генетики (DPAG) и Раффаэле Сарнатаро из Оксфордского центра нейронных цепей и поведения обнаружила, что сон запускается реакцией мозга на едва заметный энергетический дисбаланс. Ключ к разгадке кроется в митохондриях — микроскопических структурах внутри клеток, которые используют кислород для преобразования питательных веществ в энергию.

Когда митохондрии некоторых клеток мозга, регулирующих сон (изученных на плодовых мушках), перезаряжаются, они начинают пропускать электроны, производя потенциально опасные побочные продукты, известные как активные формы кислорода. Эта утечка, по-видимому, действует как предупреждающий сигнал, который заставляет мозг погрузиться в сон, восстанавливая равновесие до того, как повреждение распространится на более обширные области.

«Нельзя, чтобы митохондрии пропускали слишком много электронов, — сказал Сарнатаро. — Когда это происходит, они генерируют реактивные молекулы, которые повреждают клетки».

Исследователи обнаружили, что специализированные нейроны действуют как автоматические выключатели, измеряя утечку электронов из митохондрий и запуская сон при превышении порогового значения. Управляя процессом энергообмена в этих клетках — увеличивая или уменьшая поток электронов — учёные могли напрямую контролировать продолжительность сна мух.

Даже замена электронов энергией света (с использованием белков, заимствованных у микроорганизмов) имела тот же эффект: больше энергии, больше утечек, больше сна.

«Мы задались целью понять, для чего нужен сон и почему мы вообще чувствуем потребность во сне. Несмотря на десятилетия исследований, никто не смог выявить чёткую физическую причину. Наши результаты показывают, что ответ может крыться в самом процессе, который снабжает наш организм энергией: аэробном метаболизме», - сказал профессор Мизенбёк. «В некоторых нейронах, регулирующих сон, мы обнаружили, что митохондрии — производители энергии в клетках — пропускают электроны при их переизбытке. Когда утечка становится слишком большой, эти клетки действуют как автоматические выключатели, переводя систему в режим сна, чтобы предотвратить перегрузку».

Результаты исследования помогают объяснить хорошо известную связь между метаболизмом, сном и продолжительностью жизни. Более мелкие животные, потребляющие больше кислорода на грамм массы тела, как правило, спят больше и живут меньше. Люди с митохондриальными заболеваниями часто испытывают изнуряющую усталость даже без физических нагрузок, что теперь потенциально объясняется тем же механизмом.

«Это исследование отвечает на одну из главных загадок биологии», — сказал Сарнатаро. «Зачем нам нужен сон? Ответ, похоже, заложен в самом способе, которым наши клетки преобразуют кислород в энергию».