Все дело, как выяснилось, в белках, количество которых растет у жертв бессонницы и, наоборот, снижается у тех, кто хорошо отдыхает. Белки эти располагаются в синапсах — специальных частях нейронов, которые позволяют клеткам мозга общаться друг с другом.

Исследователи сна из школы медицины и здравоохранения Висконсинского университета в Мэдисоне считают, что теория «синаптического гомеостаза» имеет все более прав на жизнь. Согласно ей, синапсы становятся более сильными, когда мы бодрствуем, а значит изучаем и приспосабливаемся под окружающую среду, а сон освежает мозг, возвращая синапсам начальный уровень жизнеспособности. Это действительно важно, так как сильные синапсы расходуют больше энергии, занимают больше места и требуют большей поддержки, включая указанные белки.

Сон, во время которого происходит синаптическая перезагрузка, позволяет сохранить энергию, сэкономить место и белки, а также устраняет „шумы“ предыдущего дня. Утром обновленный мозг готов учиться дальше.

Ученые Джорджио Гилестро, Джулио Тонони и Чиара Цирелли из Центра сна и сознания выяснили, что уровень белков, с которыми синапсы передают сигналы между нейронами, падает на 30-40% во время сна.

В журнале Science были опубликованы трехмерные фотографии, сделанные с помощью конфокального микроскопа, на которых видно, как мозг лишенных сна мух заполнен синаптическим белком Bruchpilot (BRP), который определяет уровень коммуникации между нейронами. У хорошо отдохнувших мух уровень BRP и четырех других синаптических белков значительно ниже, что доказывает гипотезу, согласно которой во время сна мозг проходит перезагрузку, чтобы на следующий день вновь расти и учиться.

„Мы знаем, что сон необходим для мозга, чтобы тот функционировал должным образом, мог изучать новые вещи и соединять отрезки памяти, накапливая ее“, говорит профессор психиатрии Цирелли. „Во время сна синапсы значительно теряют в размерах: самые большие сокращаются, а самые маленькие могут и вовсе исчезнуть“.

Изображения, полученные с помощью конфокального микроскопа, показывают именно такую картину во всех трех главных областях мозга плодовой мушки.

В работе, опубликованной в прошлом году, Тонони, Цирелли и их коллеги обнаружили подобные химические изменения в синапсах мозга крыс. Также выяснилось, что мозг крысы обнаруживает более сильную реакцию на электростимуляцию во время продолжительного бодрствования, и более слабую после сна. Тогда результаты исследования были достигнуты с помощью электрофизиологических, а не молекулярных методов. И они также были совместимы с идеей, что синапсы становятся более сильными во время активности мозга и слабеют во время сна.

Поскольку сон выполняет схожую функцию во время сна у крыс и плодовых мушек, Цирелли полагает, что подобные изменения продиктованы самой жизнью и сформированы в течение эволюции, так как действительно важны для здоровья и выживания животного.

Впервые исследования сна у различных видов, включая крыс и плодовых мушек, были произведены именно в лаборатории Висконсина.

Чтобы не позволить мухам уснуть, их помещали в устройство, в котором содержались 10 пластин, на каждой из которых были 32 мушки. Случайным образом пластины перемещались, что не позволяло мухам уснуть.

Насекомым не давали спать целые сутки. Тогда ученые проанализировали состояние мозга мух и измерили уровень четырех просинаптических белков и одного постсинаптического. Во время бодрствования уровни повышались, а во время сна падали. Другие эксперименты подтвердили, что изменения в уровнях белка не зависели от света, темноты или непосредственного возбуждения. Зависимость прослеживалась только от сна или пробуждения. В ходе экспериментов использовалась конфокальная микроскопия и антитела, которые распознают уровень BRP в областях мозга.

Высокий уровень белка во время бодрствования говорит о том, что мозг заполняют впечатления и воспоминания текущего дня. Чтобы освободить место для новых данных, уровень белка необходимо снизить.

„Большая часть того, что мы запоминаем за день, нам не нужна“, говорит Цирелли. „Если мозг переполнен, мы не можем снова учиться, прежде чем не выкинем из него скопившийся мусор“.