Víme, že vápník je dobrý pro naše kosti, ale možná je také klíčem k dobrému spánku. Vědci z Centra kvantitativní biologie RIKEN (QBiC) a Tokijské univerzity v Japonsku představili novou teorii fungování spánku. Práce publikovaná v časopise Neuron ukazuje, jak pomalovlnný spánek závisí na aktivitě vápníku uvnitř neuronů.

„Přestože spánek je základní fyziologickou funkcí, jeho mechanismus je stále záhadou,“ tvrdí ředitel skupiny a odpovídající autor Hiroki Ueda.

Multidisciplinární výzkumný tým pod vedením Uedy použil k hledání základního mechanismu, který je základem spánku, řadu vědeckých technik, včetně počítačového modelování a studia knockoutovaných myší. Profesor Ueda je vzděláním lékař, ale jako výzkumník zkoumající poruchy spánku upřednostňuje široký a hluboký přístup, který se opírá stejnou měrou o modelování in silico, in vitro a in vivo. Vysvětluje: „Protože naše studie představuje novou teorii spánku, museli jsme ji podpořit různými metodikami.“

In silico tým vytvořil počítačový neuronový model, aby předpověděl, které proudy v neuronu jsou rozhodující pro udržení typu neuronové aktivity spojené s pomalovlnným spánkem.

Fumiya Tatsuki, spoluautor a vysokoškolský student na Tokijské univerzitě, vysvětluje: „Náš model vytvořil čtyři předpovědi, které nám poskytly čtyři výchozí body pro hledání kritických genů zapojených do spánku. Každá předpověď byla testována a prokázána jako správná v experimentech s knockoutovanými myšmi nebo pomocí farmakologické inhibice a nakonec se nám podařilo identifikovat sedm genů, které pracují ve stejné dráze související s vápníkem a kontrolují délku spánku.“

Dvacet jedna knockoutovaných myší bylo vytvořeno pomocí nedávno vyvinuté technologie CRISPR, kterou Uedův tým zdokonaluje do vysoce přesného a vysoce účinného systému in vitro zvaného trojitý CRISPR. Výsledky zveřejněné na začátku tohoto roku ukázaly téměř 100% úspěšnost. Spoluautor Genshiro Sunagawa navíc pro tuto studii vyvinul automatizovaný systém monitorování spánku, který se ukázal jako neocenitelný pro průběžný sběr potřebných behaviorálních dat.

Na základě počítačových modelů, technologie trojitého CRISPR a nového systému monitorování spánku byly u KO myší, kterým chyběly cílové geny, pozorovány in vivo změny v délce spánku. Identifikací myší s abnormálními spánkovými vzorci se týmu podařilo určit sedm genů, které byly kritické pro zvýšení nebo snížení délky spánku.

Všech sedm genů umožňuje změny v neuronech závislé na vápníku, které způsobují, že se brání aktivitě – proces zvaný hyperpolarizace. Jak předpokládal model, snížení regulace šesti z těchto genů zkrátilo délku spánku u KO myší a snížení regulace posledního genu vedlo k delším záchvatům spánku.

Jak vysvětluje Shoi Shi, spoluautor a postgraduální student Tokijské univerzity: „Naše práce odhalila, že spánek je regulován cestami souvisejícími s vápníkem. Jedním z překvapení bylo, že na rozdíl od současných teorií inhibice NMDA receptorů přímo vyvolala neuronální excitaci, která přispěla ke zkrácení spánku.“

Poznamenává Ueda: „Tato zjištění by měla přispět k pochopení a léčbě poruch spánku a neurologických onemocnění, která s nimi souvisejí. Kromě toho, že se stanou novými molekulárními cíli pro léky na spánek, by se námi identifikované geny mohly stát také cíli pro léky, které léčí některé psychiatrické poruchy, jež se vyskytují při poruchách spánku.“

Sunagawa upozorňuje, že je třeba ještě mnoho práce. „Ačkoli naše studie odhaluje mechanismus regulace spánku, molekulární detaily tohoto mechanismu jsou stále neznámé, stejně jako skutečný vztah mezi dysfunkcí spánku a psychiatrickými poruchami.“