У рыбок данио-рерио выявили быструю и медленную фазы сна

Сон у позвоночных, включая млекопитающих, птиц и рептилий, делится на две фазы — быструю и медленную. Они отличаются друг от друга активностью мозга, которую можно наблюдать при помощи электроэнцефалограммы (ЭЭГ). Для медленной фазы характерны медленные длинные волны, в то время как на быстрый сон указывают короткие резкие волны ЭЭГ. Также фазу быстрого сна можно определить по внешним признакам: у человека и животного в этом случае глаза под закрытыми веками двигаются, могут непроизвольно сокращаться мышцы шеи и конечностей, повышается сердцебиение. Однако ученые до сих пор не знают, зачем нужно такое разделение.

Неясно и то, характерны ли быстрая и медленная стадии для сна для земноводных и рыб, а это помогло бы ученым установить, когда это разделение появилось в принципе. Группа биологов из Стэнфордского университета решила выяснить это на примере рыбок данио-рерио. В данном случае это удобный модельный организм, ведь то, когда они спят, можно отследить по поведению рыб: в это время они абсолютно неподвижны. Вместе с тем зафиксировать нейронные признаки сна гораздо сложнее, поскольку у рыб нет неокортекса — отдела мозга, с которого у людей обычно снимают электроэнцефалограммы.

Специально для экспериментов данио-рерио генетически модифицировали таким образом, чтобы их организм вырабатывал специальный святящийся белок. Благодаря ему ученые смогли лучше разглядеть все процессы, происходящие в теле рыбы.

В своем исследовании специалисты сконцентировались на паллиуме — отделе мозга рыб, функции которого схожи с функциями неокортекса. Ученые измеряли его активность у спящик рыбок с помощью неинвазивной флуоресцентной полисомнографии, то есть измеряли разные показатели физического состояния рыбы (сердцебиение, движение грудной клетки, насыщенность крови кислородом, движения плавников, глаз и тому подобное) во время сна и бодрствования.

Чтобы определить, что решение нужно искать именно в паллиуме, сначала группу рыбок лишали сна, затем сравнивали их мозг с рыбками, которым дали выспаться, и оказалось, что в паллиуме невыспавшихся наблюдается рассинхронизация электрических ритмов, нехарактерная для тех, кому дали поспать, то есть эта область мозга действительно ответственна за ритмы сна.

Ученые проверяли нейронную активность рыб в разных состояниях: при спонтанном сне, под воздействием снотворного и при сне, перед которым им долго не давали спать. Во всех этих состояниях у рыб фиксировали электрическую активность мозга, характерную для быстрой и медленной фаз сна у животных.

Об отдельных фазах сна говорила не только нейронная активность, но и другие факторы: усиление мышечной активности, увеличение частоты движений глаз и сердцебиения также говорили в пользу быстрого сна, в то время как сокращение активности мышц и снижение частоты вращения глаз, сердцебиения и дыхания указывало на медленную фазу.

В целом эксперименты продемонстрировали, что во время сна, вызванного снотворным, и после спонтанного сна у рыбок наблюдалась активность нейронов, характерная для быстрого и медленного сна у позвоночных. Связана она с синхронной активностью их паллиума и с разного рода мышечной, глазной, сердечной и дыхательной активностью.

Авторы работы делают вывод, что разделение сна на две фазы могло появиться тогда же, когда сформировался мозг позвоночных, то есть около 450 миллионов лет назад.