Бактериальные молекулы в мозге мышей меняют представления о регуляции сна
Исследователи Университета штата Вашингтон обнаружили, что пептидогликан - компонент клеточной стенки бактерий - естественным образом присутствует в мозге мышей. Более того, его количество меняется в зависимости от времени суток, сна и недосыпания. Это открытие заставляет пересмотреть традиционную модель, согласно которой сон регулируется преимущественно нервной системой и структурами головного мозга.
Пептидогликан образует прочную сетчатую оболочку бактериальных клеток. Ранее считалось, что такие крупные молекулы не могут самостоятельно проникать в мозг. Однако результаты работы показывают: пептидогликан и рецепторы, участвующие в передаче сигналов с его участием, обнаруживаются в разных отделах мозга и связаны с суточными изменениями состояния организма.
Исследование провела Эрика Инглиш, аспирантка WSU и ведущий автор двух научных публикаций. Вместе с профессором Джеймсом Крюгером она изучает гипотезу, согласно которой сон формируется не только нервной системой, но и совокупностью микроорганизмов, обитающих в организме. Подробнее о том, как ученые связывают бактериальные молекулы с циклом сна, рассказывается в материале о роли пептидогликана в регуляции сна.
Микробиом как участник процессов сна
Предложенная учеными концепция получила название "состояние холобионта". Она объединяет два ранее существовавших подхода. Первый рассматривает сон как результат работы мозга, нервных центров и связанных с ними биологических ритмов. Второй объясняет сон локальными изменениями активности отдельных клеточных групп.
Согласно теории локального сна, небольшие участки тканей могут переходить в состояние, напоминающее сон, независимо друг от друга. Когда таких зон становится достаточно много, организм постепенно переключается с бодрствования на сон. Этот процесс сравнивают с домом, в котором одна за другой гаснут лампы.
Гипотеза холобионта дополняет эту модель влиянием микробиоты. Сон в таком случае становится результатом взаимодействия двух взаимосвязанных систем: организма хозяина и живущих в нем микроорганизмов. "Это не выбор между двумя вариантами - работают оба механизма", - отмечает Инглиш. По ее словам, сон представляет собой многоуровневый процесс, протекающий с разной скоростью в клетках, тканях и органах.
Как бактерии влияют на сон
Связь между микробиомом и сном уже подтверждается целым рядом наблюдений. Нарушения режима сна способны менять состав и функции кишечной микрофлоры, а бактериальные инфекции нередко сопровождаются повышенной сонливостью. Известно также, что введение пептидогликана животным может усиливать сон. Новая работа показывает, что подобные молекулы не только действуют извне, но и могут присутствовать в мозге естественным образом.
Особое значение имеет то, что концентрация пептидогликана менялась после лишения сна. Это позволяет предположить, что бактериальные компоненты участвуют в реакции организма на недосыпание. Пока ученые не утверждают, что именно пептидогликан запускает сон, однако его присутствие в мозге и связь с рецепторами указывают на потенциальную роль в передаче сигналов между иммунной, нервной и микробной системами.
Тема требует осторожной интерпретации: найденные молекулы не означают, что в мозге обязательно находятся полноценные колонии бактерий. Речь идет прежде всего о бактериальных компонентах и сигнальных взаимодействиях. Поэтому вопрос о том, существуют ли бактерии в мозге человека в функционально значимом количестве, остается открытым и нуждается в дополнительных исследованиях.
От эволюции бактерий к поведению человека
Джеймс Крюгер считает, что механизмы сна могли возникнуть значительно раньше млекопитающих. У бактерий существуют собственные циклы активности и покоя, а молекулярные сигналы, связанные с этими процессами, могли впоследствии участвовать в формировании более сложных систем регуляции поведения.
Такой подход меняет традиционный взгляд на работу организма. Поведение человека может формироваться не только по принципу "сверху вниз", когда мозг управляет всеми процессами, но и "снизу вверх" - под влиянием микроорганизмов, эволюционная история которых насчитывает миллиарды лет. Микробиом способен участвовать в регуляции аппетита, когнитивных функций, обмена веществ и других форм поведения.
Именно поэтому исследования регуляции сна сегодня все чаще выходят за пределы нейробиологии. Ученым предстоит выяснить, каким образом бактериальные сигналы достигают мозга, какие рецепторы воспринимают их и как на эти процессы влияют стресс, питание, лекарства и хронический недосып.
Перспективным направлением становится изучение связи "микробиом и сон" при различных расстройствах: бессоннице, апноэ, нарушениях циркадных ритмов и нейродегенеративных заболеваниях. Если роль бактериальных молекул подтвердится, в будущем могут появиться методы коррекции сна, основанные не только на воздействии на нервную систему, но и на изменении состава или активности микробиоты.
Работа ученых WSU пока не дает окончательного ответа на вопрос, как бактерии влияют на сон у человека. Однако обнаружение пептидогликана в мозге мышей и его зависимость от режима сна расширяют научную картину. Сон, вероятно, является результатом сложной координации между мозгом, клетками организма, иммунной системой и микробным сообществом, а не изолированной функцией одного органа.
