Ящерицы, птицы и люди имеют оптимизированный для выживания одинаковый ритм сна

Фото из открытых источников

Группа ученых из Французского Национального центра научных исследований (CNRS) выявила фундаментальную биологическую закономерность, которая оставалась неизменной на протяжении более трехсот миллионов лет эволюции. В ходе сравнительного исследования позвоночных ученые обнаружили наличие глобального сверхмедленного ритма, как церебрального, так и соматического характера, во время сна у нескольких видов рептилий и одной птицы — закономерность, идентичная той, которая характеризует медленноволновой сон у млекопитающих.

Результаты исследования, опубликованные в журнале Nature Neuroscience, демонстрируют древнее и глубоко укоренившееся происхождение этого физиологического механизма, предполагая, что его истоки восходят к общему предку, существовавшему до великого эволюционного расхождения между синапсидами, зауропсидами и архозаврами.

В основе исследования лежала исключительно широкая методологическая стратегия, разработанная для всестороннего изучения физиологии сна. Ученые не ограничились электроэнцефалографией; вместо этого они проводили одновременный мультимодальный мониторинг активности головного мозга, сердца, сосудов, дыхания, мышц и глаз на протяжении полных циклов отдыха.

Для этого они изучили десять видов позвоночных, охватывающих ключевые эволюционные узлы: семь рептилий (включая гекконов, бородатых драконов и черепах), одну птицу (попугаев) и два эталонных млекопитающих. Одним из наиболее информативных дополнительных методов стала функциональная ультразвуковая диагностика, которая позволила визуализировать сосудистую динамику и кровоток, связанные со состояниями сна у этих животных.

Результаты, полученные после тщательного анализа петабайтов физиологических данных, являются убедительными. В мозге и по всему телу исследованных рептилий датчики постоянно регистрировали — на протяжении всех фаз сна — медленный и удивительно регулярный ритм, ритмическое чередование, синхронно проявляющееся в органических системах, которые на первый взгляд кажутся разрозненными.

Это вездесущее колебание по всем поддающимся количественной оценке параметрам совпадает с тем, которое определяет стадию глубокого сна у млекопитающих, таких как грызуны или люди, — состояние, в котором преобладают высокоамплитудные низкочастотные мозговые волны, во время которого происходит консолидация памяти и, согласно недавним открытиям, выведение продуктов метаболизма из нервной ткани через глифатическую систему.

Эволюционные последствия этого параллелизма весьма значительны. Филогенетическое расхождение между линиями, которые привели к появлению современных млекопитающих и современных рептилий и птиц, относится к каменноугольному периоду, геологическому периоду, предшествовавшему существованию динозавров.

Тот факт, что такой специфический и сложный физиологический ритм сохранился в неизменном виде на протяжении более чем 300 миллионов лет, указывает на то, что это не эпифеномен или недавняя адаптация, а скорее центральный и, вероятно, незаменимый механизм функционирования сна у амниотических позвоночных. Его сохранение предполагает, что он выполняет критически важную роль, которую селективное давление поддерживало на протяжении бесчисленных поколений и изменений окружающей среды.

Однако эта роль может быть не единственной. У млекопитающих медленный ритм тесно связан с процессами поддержания жизнедеятельности нейронов, такими как удаление токсичных белков, например, бета-амилоида. Его наличие у рептилий, мозг которых имеет иную архитектуру и метаболизм, поднимает ряд вопросов. Исследователи предполагают, что помимо возможной функции очищения нейронов, которая еще не подтверждена у этих животных, этот ритм может представлять собой фундаментальную адаптацию к экологическим ограничениям и к присущим состоянию сна рискам.

Спящий организм — уязвимый организм; установление сверхмедленного и скоординированного ритма тела может быть стратегией, направленной на минимизацию потребления энергии, снижение заметности для хищников или обеспечение быстрого и организованного перехода к бодрствованию в случае угрозы. Таким образом, данное открытие указывает на общий физиологический субстрат, основное адаптивное значение которого может заключаться в оптимизации выживания в состоянии обязательной неактивности.

Исследование также бросает тень скептицизма на один из самых острых споров в нейроэтологии сна: возможное существование аналога парадоксального сна или фазы быстрого сна (REM-сна) у рептилий. Эта фаза, связанная у людей с субъективным сновидением, характеризуется парадоксом: мозг, столь же активный, как и в состоянии бодрствования, заключен в теле, парализованном мышечной атонией.

Исчерпывающее исследование CNRS, в ходе которого тщательно отслеживались ключевые маркеры, такие как мышечная атония и быстрые движения глаз у рептилий, не выявило никаких доказательств существования состояния, сочетающего в себе все характеристики быстрого сна млекопитающих. С другой стороны, идентификация исходного медленного ритма подчеркивает, что базовая архитектура сна у этих животных опирается на этот общий осцилляторный столп, ставя под сомнение филогенетическую необходимость постулирования сложной парадоксальной фазы сна у рептилий и относя происхождение последней, вероятно, к более позднему эволюционному этапу, специфичному для линии млекопитающих или, возможно, для теплокровных амниот.

В конечном итоге, эта работа выходит за рамки простого описания физиологической модели. Раскрыв ритм, общий для ящериц, птиц и людей, ученые провели прямую связь между неврологическим настоящим и далеким, до-млекопитающим прошлым — почти доисторическим с точки зрения жизни на Земле. Они определили то, что, по-видимому, является ядром, незаменимым элементом сна у животных со сложным мозгом.

Это медленное и устойчивое колебание, запечатленное в биологии таких разных существ, как черепаха и мышь, теперь стало физическим признаком функции головного мозга, столь же древней, сколь и фундаментальной — внутренних часов, которые задают темп восстановительного процесса, чья конечная сущность, несмотря на это монументальное открытие, все еще сохраняет часть своей тайны.