Vi ved, at calcium er godt for vores knogler, men det er måske også nøglen til en god nattesøvn. Forskere fra RIKEN Quantitative Biology Center (QBiC) og University of Tokyo i Japan har afsløret en ny teori om, hvordan søvn fungerer. Arbejdet, der er offentliggjort i tidsskriftet Neuron, viser, hvordan langsom bølgesøvn afhænger af kalciumaktiviteten i neuroner.

“Selv om søvn er en grundlæggende fysiologisk funktion, er dens mekanisme stadig et mysterium”, siger gruppens leder og korresponderende forfatter Hiroki Ueda.

Et tværfagligt forskerhold under ledelse af Ueda brugte en række videnskabelige teknikker, herunder beregningsmodellering og undersøgelse af knockout-mus, til at søge efter den grundlæggende mekanisme, der ligger til grund for søvn. Professor Ueda er uddannet læge, men som forsker, der undersøger søvnforstyrrelser, foretrækker han en bred og dyb tilgang, der er baseret på in silico-, in vitro- og in vivo-modellering i lige høj grad. Han forklarer: “Fordi vores undersøgelse præsenterer en ny teori om søvn, var vi nødt til at understøtte den med forskellige metoder.”

In silico skabte holdet en beregningsmæssig neural model for at forudsige, hvilke strømme i et neuron der er afgørende for at opretholde den type neurale aktivitet, der er forbundet med langsom bølgesøvn.

Fumiya Tatsuki, medførste forfatter og bachelorstuderende ved University of Tokyo, forklarer: “Vores model lavede fire forudsigelser, hvilket gav os fire udgangspunkter til at søge efter kritiske gener involveret i søvn. Hver forudsigelse blev testet og bevist korrekt i forsøg med knockout-mus eller ved farmakologisk hæmning, og vi var i sidste ende i stand til at identificere syv gener, der arbejder i den samme calciumrelaterede vej til at kontrollere søvnvarigheden.”

Twenty-one knockout-mus blev skabt ved hjælp af nyligt udviklet CRISPR-teknologi, som Uedas hold har forfinet til et meget præcist, meget effektivt in vitro-system kaldet triple CRISPR. Resultater, der blev offentliggjort tidligere i år, viste en succesrate på næsten 100 %. Derudover udviklede medførsteforfatter Genshiro Sunagawa et automatiseret søvnovervågningssystem til denne undersøgelse, der viste sig at være uvurderligt til løbende at indsamle de nødvendige adfærdsdata.

Baseret på computermodellerne, triple CRISPR-teknologien og det nye søvnovervågningssystem blev KO-mus, der mangler målgener, observeret in vivo for ændringer i søvnvarigheden. Ved at identificere mus med unormale søvnmønstre kunne holdet udpege syv gener, der var afgørende for at øge eller mindske søvnvarigheden.

Alle syv gener tillader calciumafhængige ændringer i neuroner, der gør dem modstandsdygtige over for at blive aktive — en proces kaldet hyperpolarisering. Som forudsagt af modellen reducerede nedregulering af seks af disse gener søvnvarigheden hos KO-mus, og nedregulering af det sidste gen førte til længere søvn.

Som Shoi Shi, medførste forfatter og kandidatstuderende ved University of Tokyo, forklarer: “Vores artikel afslørede, at søvn reguleres af calciumrelaterede veje. En overraskelse var, at i modsætning til de nuværende teorier fremkaldte inhibering af NMDA-receptorer direkte neuronal excitation, hvilket bidrog til reduceret søvn.”

Notes Ueda, “disse resultater bør bidrage til forståelsen og behandlingen af søvnforstyrrelser og neurologiske sygdomme, der er blevet forbundet med dem. Ud over at blive nye molekylære mål for søvnmedicin kan de gener, vi har identificeret, også blive mål for lægemidler, der behandler visse psykiatriske lidelser, der opstår i forbindelse med søvndysfunktion.”

Sunagawa advarer om, at der stadig er behov for meget arbejde. “Selv om vores undersøgelse afslører en mekanisme for søvnregulering, er de molekylære detaljer i mekanismen stadig ukendte, ligesom den reelle sammenhæng mellem søvndysfunktion og psykiatriske lidelser er ukendt.”