Найдены клетки, которые усыпляют мозг: один нейрон из тысячи

Кору мозга в исследованиях сна долго держали за исполнителя. Медленные волны глубокого сна видно именно в ней, но считалось, что команду на них подают структуры глубже — те, что управляют бодрствованием и засыпанием.

Группа из Медицинского колледжа Альберта Эйнштейна в Нью-Йорке показала в Nature, что кора умеет запускать этот ритм сама. Достаточно включить в ней горстку особых клеток, и мышь засыпает.

Один нейрон из тысячи

Клетки называются Sst-Chodl — по двум генам, которые в них работают. Тормозные нейроны составляют примерно пятую часть коры, а эти — около процента от тормозных. В пересчёте на всю кору получается один нейрон из тысячи.

Именно малочисленность и мешала. По одному гену такие клетки не выловить: под метку попадает огромное разношёрстное семейство нейронов, и нужные тонут среди чужих. Рената Батиста-Брито потратила годы на то, чтобы научиться помечать клетку только тогда, когда включены оба гена сразу. Заявки на гранты по этому проекту ей раз за разом отклоняли как слишком рискованные — шанс что-то увидеть в одной десятой процента нейронов выглядел ничтожным.

Первый же взгляд на анатомию оправдал риск. В поле зрения оказывалось два-три тела клеток, зато отростки от них расходились по всей зрительной коре — так густо, как ни у одного другого типа нейронов.

Тормоз, который вещает на весь мозг

Обычный тормозной нейрон работает как местный регулятор: собирает сигналы из разных мест и придерживает соседей вокруг себя. Sst-Chodl устроены наоборот. Входы у них точные и узкие, а выход широкий: отросток одной клетки покрывает всю зрительную кору, а дальше тянется к областям осязания, слуха, пространственной памяти, навигации и произвольных движений.

Дальнобойность проверили измерением: прямое торможение регистрировалось в трети клеток на расстоянии двух миллиметров от места стимуляции, а отклик добирался до лобных двигательных зон.

Они включаются, когда кора затихает

Дальше нужно было понять, когда эти клетки работают. Их снимали одновременно с записью электрической активности коры, размера зрачка, тонуса мышц, движений морды и бега.

Из 111 снятых клеток 95 разгорались в медленноволновом сне и в тихом неподвижном бодрствовании, а во время бега и быстрого сна молчали.

В медленном сне кора качается между UP-состояниями, когда нейроны активно разряжаются, и DOWN-состояниями, когда они почти немы. Sst-Chodl ломают этот ритм: их активность растёт как раз к концу UP-состояния, когда все остальные затихают.

Меняется не громкость, а слаженность

Затем клетки заставили разряжаться по команде — с помощью оптогенетики, когда в нейрон встраивают светочувствительный канал и включают его вспышкой.

Дельта-волны, самые медленные и высокие волны глубокого сна, выросли во всех слоях коры. DOWN-состояния стали чаще и длиннее, разряды нейронов — точнее по времени. При этом общая частота разрядов почти не изменилась: клетки не делают кору тише, они делают её согласованной.

Самое странное авторы объяснить не смогли. Обычно сеть подхватывает ту частоту, которой её стимулируют. Здесь это не работало: ровный свет, дельта-ритм, двадцать герц, шестьдесят — на выходе всё равно одно и то же колебание. Что в устройстве этих клеток задаёт частоту, неизвестно.

В опытах на свободно двигающихся мышах активация клеток увеличивала и медленный, и быстрый сон, сокращала время засыпания и отправляла животных в гнёзда среди дня. В тёмную фазу, когда ночные мыши обычно бодрствуют, они спали больше, чем обычно спят днём.

Чего не знают

Не знают главного: что включает сами эти клетки. Гипотеза есть — Томас Килдафф, соавтор работы, ещё раньше показал, что после лишения сна Sst-Chodl оказываются самыми активными клетками коры. Тогда они могли бы работать датчиком накопленного давления сна, того самого, которое в конце концов кладёт спать независимо от времени суток. Проверено это не было.

Все опыты сделаны на мышах и в зрительной коре. Авторы считают, что роль согласователя ритма перенесётся и на другие области, но проводка в них может оказаться иной — анатомию сейчас переделывают на других участках коры.