Спящую муху будит запах любимой пищи

Группы животных, у которых обнаружен сон. Спят и книдарии, у которых вообще нет центральной нервной системы (ЦНС), и все остальные животные с ЦНС. Это означает, что сон был и у их общего предка. Следовательно, эволюция сна насчитывает не менее 600 млн лет. Признаки глубокого и неглубокого сна отмечены не только у хордовых, но и у мух. Однако, в полной мере фазы сна сформировались только у хордовых. Рисунок из статьи R. C. Anafi et al., 2019. Exploring phylogeny to find the function of sleep

Интересное исследование сна представила международная группа нейробиологов. Ученые показали, что чуткость сна у дрозофил следует тем же закономерностям, что и у млекопитающих: она максимальна в конце ночного цикла и заметно понижена в его начале и во время дневного сна. Также оказалось, что мухи реагируют на седативные средства (такие как алкоголь) схожим с млекопитающими образом. Но важнее то, что разбудить муху могут не все стимулы, а только некоторые, — в частности, неприятные для мухи запахи или же, напротив, очень привлекательные. Было установлено, что сила стимуляции может трансформироваться в нервных центрах спящей мухи. Так, голодные мухи быстрее просыпаются при подаче запаха пищи. Это означает, что, как и у млекопитающих, во сне нервные центры мухи не просто тормозят поступающую информацию, но модулируют ее в зависимости от внутреннего состояния организма. В этой модуляции участвуют особые нейроны, регулирующие сигналы от обонятельных рецепторов.

Все многоклеточные животные спят. Чтобы отличить сон от бодрствования (не у всех имеются такие явные указатели на эту часть жизни, как подушка и одеяло), ученые используют несколько критериев: специфическая поза, снижение интенсивности и разнообразия движений, заторможенные реакции на внешние раздражители. Согласно этим критериям, даже гидры и медузы — сравнительно просто устроенные животные с диффузной нервной системой — спят по несколько часов в день (H. J. Kanaya et al., 2020. A sleep-like state in Hydra unravels conserved sleep mechanisms during the evolutionary development of the central nervous system).

Особенно важен последний из указанных критериев — заторможенность реакций на внешние раздражители, — так как он предполагает, что животное на какое-то время становится практически беззащитным. Но все же животные должны воспринимать какие-то стимулы даже во сне. Ясно, что это будут или какие-то сильные раздражители (громкий звук, очень яркий свет и т. д.), или чрезвычайно важные для животного стимулы. Для людей такие стимулы более или менее известны: мы быстро просыпаемся, если нас зовут по имени, — имя является важнейшим стимулом для человека. Также родители быстро просыпаются на плач ребенка — это один из главнейших стимулов для них в первые годы жизни малыша (постепенно значимость этого раздражителя слабеет). Для некоторых других млекопитающих тоже есть кое-какая информация на этот счет. Так, собаки, кошки и крысы просыпаются, если во время сна им подать специальный сигнал, связанный с выработанным положительным пищевым подкреплением или же с отрицательным болевым подкреплением (например, с ударом током).

В отношении остальных животных нет ясности, просыпаются ли они при наличии важных для них стимулов или нет. Если смотреть на суть этого вопроса, то она будет в целом следующей: в состоянии ли мозг спящего животного — будь то муха или слон — анализировать поступающую информацию? Для ответа на этот вопрос практически не было исследований. И вот пионерская работа об этом появилась на страницах журнала Nature. Ее авторы поставили эксперименты на дрозофилах, фиксируя на видео, как спящие мухи, помещенные в прозрачные пластиковые контейнеры, реагируют на различную стимуляцию.

Сами опыты выглядят сравнительно просто: в контейнер к спящей мухе пускали тот или иной запах и смотрели, разбудит он ее или нет. Таким нехитрым образом удалось набрать достаточную статистику. Было проверено 22 запаха — как пищевых, так и не связанных с пищей, как привлекательных, так и не привлекательных для мух. Выяснилось, что неприятные запахи чаще будили муху, чем приятные, а пищевые запахи будили муху вернее, чем не связанные с пищей. С чем связана такая избирательность, пока рано судить.

Затем ученые установили, что у мух, как и у млекопитающих, чуткость сна зависит от времени суток и стадии сна. Самый глубокий сон, когда муху мало что может разбудить, приходится на начало сна в первой половине ночи и на дневной сон. Во вторую половину ночи мухи больше реагируют на стимулы.

Чуткость сна мух при действии стимула — приятного для них запаха 5-процентного уксуса. По вертикальной оси — вероятность пробуждения, по горизонтальной оси — время, привязанное к циркадному ритму (ZT — Zeitgeber time). Самый крепкий сон — дневной (siesta), но запах 5-процентной уксусной кислоты может прервать и его (правда, это наблюдалось менее чем в половине испытаний). Самый некрепкий — в конце биологической ночи: видно, что запах уксуса с очень большой вероятностью разбудит муху. На левом графике показано усреднение за полчаса, на правом — усреднение за три часа с наиболее частыми периодами сна у мух для разных концентраций уксусной кислоты (концентрации 10% и 30% для мух неприятны). Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Вторая черта сходства сна мух и млекопитающих — действие седативных средств и их способность снижать чуткость сна. Для человека, как хорошо известно, таким средством является алкоголь. Пьяный быстро засыпает и его трудно разбудить, пока он не протрезвеет. Что же касается мух, то пить алкоголь им, конечно, не давали, а вместо этого предоставляли возможность нюхать его пары в течение часа. Этого вполне достаточно, чтобы муха опьянела. В этом состоянии мухи беспорядочно летают, бьются о стенки своего контейнера и быстро засыпают. Как выяснилось, пьяную муху, как и человека, разбудить гораздо труднее, чем трезвую.

Примерно также действует и депривация сна. Если мухе сутки не давать спать, то она потом засыпает крепче обычного и спит дольше — то есть «отсыпается». Здесь тоже усматривается параллель с млекопитающими.

Далее ученые приступили к более важному вопросу: как влияет внутреннее состояние мухи на чуткость сна и реакцию на стимулы. В экспериментах сравнили вероятность пробуждения голодных и накормленных мух при стимуляции запахом слабой уксусной кислоты — привлекательного для них пищевого индикатора. Как выяснилось, запах уксуса скорее разбудит голодную муху, чем накормленную. То же относится, кстати, и к остальным запахам, на которые реагировали спящие мухи.

Сравнение действия стимулов на голодных и накормленных спящих мух. Слева — непищевые стимулы, справа — пищевые (желтые линии соответствуют привлекательным запахам, черные — отталкивающим); пунктиром отмечены не значимые различия. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Это означает, что в мозге у мухи (точнее, в ее головных нервных ганглиях) интенсивность стимуляции модулируется ее внутренним состоянием. Иными словами, стимул каким-то образом становится для нее более значимым и потому более «побудительным». Входящий сигнал так или иначе трансформируется в нервных центрах, акцентируя ставшую важной информацию, например, о потребности в пище.

Здесь важно подчеркнуть, что не все запахи становятся более сильным стимулом для пробуждения у голодных мух по сравнению с сытыми, а только некоторые. Поэтому ученые рассудили, что версию о повышении общей запаховой чувствительности у голодных мух можно смело отбросить, а вместо этого нужно сосредоточиться на механизмах модуляции внешнего сигнала.

С помощью инактивации различных нейронов удалось найти те, которые усиливают сигнал от обонятельных рецепторов, поступающий в зону регуляции сна в нервных центрах мухи. Один из этих нейронов (он получил название MB011B), несущий информацию из грибовидных тел, тормозит запаховый сигнал; но если его инактивировать тем или иным способом, то запаховая информация поступит в центр сна и разбудит муху. Следовательно, в модуляции запаховых сигналов принимают участие нейроны, задача которых затормозить действие данный нейрон. Еще один путь модуляции затрагивает сами рецепторы: у голодных мух рецепторы, реагирующие на более концентрированный уксус, неприятный для мух, начинают работать вместе с рецепторами на 5-процентный уксус. Таким образом, пищевой сигнал усиливается.

Авторы работы подчеркивают, что эта модель регуляции сигналов очень проста. Однако учитывая сходство реакций спящих мух и спящих млекопитающих, она может с известными оговорками применяться для изучения базовых свойств сна у всех животных. Напомню, что у мух даже выявлены аналоги фаз быстрого и медленного сна. У мух фаза быстрого сна, которая у млекопитающих сопровождается быстрым движением глаз, выделяется по быстрому вытягиванию и втягиванию хоботка (B. van Alfen et al., 2021. A deep sleep stage in Drosophila with a functional role in waste clearance. Правда, пока не понятны содержательные границы этого сопоставления. Так или иначе, здесь важно, что на мухах можно расшифровать какие-то основополагающие нейронные схемы и их генетику, срабатывающие во время сна. Стоит все же заметить, что сон у мух хоть и имеет некоторое сходство со сном млекопитающих, но отличается от него кардинальным образом: мухи могут не спать всю жизнь без ущерба для ее продолжительности — по крайней мере, в экспериментах (Q. Geissmann et al., 2019. Most sleep does not serve a vital function: Evidence from Drosophila melanogaster). Млекопитающие при депривации сна долго не протянут.

Источник: Alice S. French, Quentin Geissmann, Esteban J. Beckwith & Giorgio F. Gilestro. Sensory processing during sleep in Drosophila melanogaster // Nature. 2021. DOI: 10.1038/s41586-021-03954-w.

Елена Наймарк