Wiemy, że wapń jest dobry dla naszych kości, ale może być również kluczem do dobrego snu w nocy. Naukowcy z Centrum Biologii Ilościowej RIKEN (QBiC) i Uniwersytetu Tokijskiego w Japonii odkryli nową teorię na temat tego, jak działa sen. Opublikowana w czasopiśmie Neuron praca pokazuje, w jaki sposób sen wolnofalowy zależy od aktywności wapnia wewnątrz neuronów.

„Chociaż sen jest podstawową funkcją fizjologiczną, jego mechanizm wciąż pozostaje tajemnicą”, twierdzi dyrektor grupy i autor publikacji Hiroki Ueda.

Wielodyscyplinarny zespół badawczy kierowany przez Uedę wykorzystał różne techniki naukowe, w tym modelowanie obliczeniowe i badanie myszy pozbawionych życia, w celu poszukiwania fundamentalnego mechanizmu leżącego u podstaw snu. Profesor Ueda jest z wykształcenia lekarzem, ale jako badacz zajmujący się zaburzeniami snu preferuje szerokie i głębokie podejście, które w równym stopniu opiera się na modelowaniu in silico, in vitro i in vivo. Wyjaśnia on: „Ponieważ nasze badanie przedstawia nową teorię snu, musieliśmy ją poprzeć różnymi metodologiami.”

In silico, zespół stworzył obliczeniowy model neuronu, aby przewidzieć, które prądy w neuronie są krytyczne dla utrzymania rodzaju aktywności neuronalnej związanej ze snem wolnofalowym.

Fumiya Tatsuki, współautor i student studiów licencjackich na Uniwersytecie Tokijskim wyjaśnia: „Nasz model stworzył cztery przewidywania, które zapewniły nam cztery punkty wyjścia do poszukiwania krytycznych genów zaangażowanych w sen. Każde przewidywanie zostało przetestowane i udowodnione jako poprawne w eksperymentach z myszami nokautującymi lub poprzez farmakologiczną inhibicję i ostatecznie byliśmy w stanie zidentyfikować siedem genów, które działają w tej samej ścieżce związanej z wapniem, aby kontrolować czas trwania snu”.

Dwadzieścia jeden myszy nokautujących zostało stworzonych przy użyciu niedawno opracowanej technologii CRISPR, którą zespół Uedy udoskonalił w bardzo dokładny, wysoce wydajny system in vitro zwany potrójnym CRISPR. Wyniki opublikowane na początku tego roku wskazują na niemal 100% skuteczność. Dodatkowo, współautor pierwszego opracowania, Genshiro Sunagawa, opracował na potrzeby tego badania automatyczny system monitorowania snu, który okazał się nieoceniony dla ciągłego zbierania niezbędnych danych behawioralnych.

W oparciu o modele komputerowe, technologię potrójnej CRISPR i nowy system monitorowania snu, myszy KO pozbawione genów docelowych obserwowano in vivo pod kątem zmian w czasie trwania snu. Identyfikując myszy z nieprawidłowymi wzorcami snu, zespół był w stanie wskazać siedem genów, które były krytyczne dla zwiększenia lub zmniejszenia czasu trwania snu.

Wszystkie siedem genów pozwala na zależne od wapnia zmiany w neuronach, które sprawiają, że opierają się one stają się aktywne — proces zwany hiperpolaryzacją. Zgodnie z przewidywaniami modelu, obniżenie regulacji sześciu z tych genów skróciło czas trwania snu u myszy KO, a obniżenie regulacji ostatniego genu doprowadziło do dłuższych przerw w śnie.

Jak wyjaśnia Shoi Shi, współtwórca pierwszego artykułu i student studiów magisterskich na Uniwersytecie Tokijskim, „Nasza praca ujawniła, że sen jest regulowany przez szlaki związane z wapniem. Jedną z niespodzianek było to, że w przeciwieństwie do obecnych teorii, hamowanie receptorów NMDA bezpośrednio wywołało pobudzenie neuronów, co przyczyniło się do zmniejszenia snu.”

Notuje Ueda, „te odkrycia powinny przyczynić się do zrozumienia i leczenia zaburzeń snu i chorób neurologicznych, które były z nimi związane. Oprócz stania się nowymi celami molekularnymi dla leków snu, geny, które zidentyfikowaliśmy, mogłyby również stać się celami dla leków, które leczą pewne zaburzenia psychiatryczne, które występują z dysfunkcją snu.”

Sunagawa ostrzega, że wiele pracy jest jeszcze potrzebne. „Chociaż nasze badanie ujawnia mechanizm regulacji snu, molekularne szczegóły tego mechanizmu są nadal nieznane, podobnie jak rzeczywisty związek między dysfunkcją snu a zaburzeniami psychiatrycznymi.”