Сон остается одной из главных загадок биологии. Известно, что мозг реагирует на нехватку сна изменениями в работе нейронов, перестройкой клеток и даже активностью генов. Ученые уже давно описали соноподдерживающие нейроны — популяции клеток, которые повышают свою активность именно во время сна и подавляют «бодрствующие» системы. 

Но что заставляет именно эти нейроны включаться? Кто в мозге дает команду «спать»? Почему после определенного времени человека неудержимо клонит ко сну? Ответы на эти вопросы попыталась найти международная команда исследователей под руководством Геро Мизенбека (Gero Miesenböck) из Оксфордского университета.

Митохондрии — маленькие структуры внутри клеток, которые производят энергию. Их часто называют «энергетическими станциями» организма. Ученые десятилетиями считали, что их роль ограничивается поставкой топлива для работы клеток. Однако Мизенбек и его коллеги доказали, что митохондрии не просто вырабатывают энергию. Они могут управлять сном.

Исследователи изучили, как митохондрии в мозге реагируют на недосып. В качестве модели выбрали плодовую мушку — фруктовую дрозофилу (Drosophila melanogaster). Эти насекомые спят от 13 до 16 часов в сутки. Их удобно изучать, потому что генетические механизмы, управляющие сном, у плодовых мух и людей во многом схожи.

Статья по теме: Час наедине со смартфоном перед сном повысил риск бессонницы на 59 процентов

Команда Мизенбека провела эксперименты примерно на тысяче самок дрозофил. Одну группу оставили в покое — она спокойно спала (контрольная группа). Вторую заставили бодрствовать — либо мягко встряхивая пробирки, либо активируя специальные участки мозга через повышение температуры.

После лишения сна в мозге дрозофил усилилась работа генов, отвечающих за функционирование и восстановление митохондрий. Эти митохондрии начали разваливаться на фрагменты, очищать себя от повреждений и формировать соединения с другими клеточными структурами для ремонта.

Авторы работы объяснили, что митохондрии продолжают вырабатывать энергию даже тогда, когда нейроны отдыхают. Из-за этого в них накапливаются лишние электроны. Они «выскакивают» наружу и порождают свободные радикалы — агрессивные молекулы, которые повреждают ДНК. Это — прямой сигнал организму, что пора спать. Ученые наблюдали, как после сна митохондрии восстанавливались, а клетки приходили в норму.

Более того, авторы исследования показали, что митохондрии напрямую влияют на длительность сна. У мух с поврежденными, «рассыпавшимися» митохондриями сон сокращался. Они не могли восполнить нехватку сна, даже если потом отдыхали дольше обычного. 

Статья по теме: Успеваемость школьников в США повысилась после того, как им позволили больше спать

Напротив, у мух с митохондриями, которые легко сливались друг с другом и быстрее ремонтировались, продолжительность сна увеличивалась. После вынужденного бодрствования они спали дольше, чем обычно. Это подтвердило, что митохондрии участвуют в формировании так называемого «давления сна» — потребности организма во сне, которая растет по мере длительного бодрствования и снижается в процессе сна.

В еще одном эксперименте митохондрии дрозофил специально активировали под воздействием света. После одного часа искусственного освещения продолжительность сна увеличилась на 20–25 процентов по сравнению с контрольной группой.

Хотя ученые ставили опыты на плодовых мушках, их выводы могут касаться и людей. Дело в том, что митохондрии устроены у всех животных схожим образом. Они вырабатывают энергию с помощью кислорода и питательных веществ. Этот процесс работает почти одинаково у мух, у мышей, у людей. Поэтому то, как митохондрии реагируют на недосып у мушек, скорее всего, происходит так же и у нас.

Статья по теме: По ту сторону знания. Открытия, которые ученые совершили во сне

Ряд специалистов, не связанных с исследованием, полагают, что благодаря выводам команды Мизенбека теперь можно по-новому подойти к лечению бессонницы и других расстройств сна. Ученые получили шанс разрабатывать препараты, которые будут воздействовать на митохондрии в нужных участках мозга и корректировать давление сна.

Однако не все исследователи полностью согласны с выводами. Микеле Беллези из Камеринского университета в Италии считает, что лишение сна — это не просто продолжительное бодрствование. Оно само по себе может вызывать стресс, а значит — запускать дополнительные клеточные реакции. Ученый предположил, что не вся активность митохондрий связана именно с потребностью во сне.

Авторы исследования отметили, что они использовали разные способы продлить бодрствование, в том числе повышение температуры тела мух, не вызывающее дополнительного стресса. При этом результат — митохондриальный стресс и усиление давления сна — был одинаковым. По словам Мизенбека, мозг непосредственно оценивает сколько нужно спать, ориентируясь на состояние собственных митохондрий.

Научная работа опубликована в журнале Nature.