Vi vet att kalcium är bra för våra ben, men det kan också vara nyckeln till en god natts sömn. Forskare vid RIKEN Quantitative Biology Center (QBiC) och University of Tokyo i Japan har presenterat en ny teori om hur sömnen fungerar. Arbetet, som publiceras i tidskriften Neuron, visar hur långsam vågsömn är beroende av kalciumaktiviteten i neuroner.

”Även om sömn är en grundläggande fysiologisk funktion är dess mekanism fortfarande ett mysterium”, enligt gruppledaren och motsvarande författare Hiroki Ueda.

En tvärvetenskaplig forskargrupp under ledning av Ueda använde en mängd olika vetenskapliga tekniker, inklusive beräkningsmodellering och studier av knockoutmöss, för att söka efter den grundläggande mekanism som ligger till grund för sömnen. Professor Ueda är utbildad läkare, men som forskare som undersöker sömnstörningar föredrar han ett brett och djupt tillvägagångssätt som bygger lika mycket på in silico, in vitro och in vivo modellering. Han förklarar: ”Eftersom vår studie presenterar en ny teori om sömn behövde vi stödja den med olika metoder.”

In silico skapade teamet en beräkningsteknisk neuronal modell för att förutsäga vilka strömmar i en neuron som är kritiska för att upprätthålla den typ av neurala aktivitet som förknippas med långsam vågsömn.

Fumiya Tatsuki, medförfattare och student vid University of Tokyo förklarar: ”Vår modell gjorde fyra förutsägelser, vilket gav oss fyra utgångspunkter för att söka efter kritiska gener som är involverade i sömn. Varje förutsägelse testades och visade sig vara korrekt i experiment med knockoutmöss eller genom farmakologisk hämning, och i slutändan kunde vi identifiera sju gener som arbetar i samma kalciumrelaterade väg för att kontrollera sömnens varaktighet.”

Tjugoen knockoutmöss skapades med hjälp av den nyligen utvecklade CRISPR-tekniken, som Uedas team har förfinat till ett mycket exakt, mycket effektivt, in vitro-system som kallas trippel-Crispr. De resultat som publicerades tidigare i år visade på en nästan 100-procentig framgång. Dessutom utvecklade medförfattaren Genshiro Sunagawa ett automatiserat sömnövervakningssystem för den här studien som visade sig vara ovärderligt för att kontinuerligt samla in de nödvändiga beteendedata.

Med utgångspunkt i datormodellerna, den trippla CRISPR-tekniken och det nya sömnövervakningssystemet observerades KO-möss som saknade målgener in vivo för att se om det fanns förändringar i sömnlängden. Genom att identifiera möss med onormala sömnmönster kunde teamet peka ut sju gener som var kritiska för att öka eller minska sömnlängden.

Alla sju gener möjliggör kalciumberoende förändringar i neuronerna som gör att de inte blir aktiva – en process som kallas hyperpolarisering. Som modellen förutspådde minskade nedreglering av sex av dessa gener sömnlängden hos KO-möss och nedreglering av den sista genen ledde till längre sömnperioder.

Shoi Shi, medförfattare och doktorand vid University of Tokyo, förklarar: ”Vår artikel avslöjade att sömnen regleras av kalciumrelaterade vägar. En överraskning var att tvärtemot rådande teorier framkallade inhibering av NMDA-receptorer direkt neuronal excitation, vilket bidrog till minskad sömn”.

Notar Ueda: ”Dessa resultat bör bidra till förståelse och behandling av sömnstörningar och neurologiska sjukdomar som har förknippats med dem. Förutom att bli nya molekylära mål för sömnläkemedel kan de gener som vi har identifierat också bli mål för läkemedel som behandlar vissa psykiatriska störningar som uppstår vid sömnstörningar.”

Sunagawa varnar för att mycket arbete fortfarande behövs. ”Även om vår studie avslöjar en mekanism för sömnreglering är de molekylära detaljerna i mekanismen fortfarande okända, liksom det verkliga förhållandet mellan sömndysfunktion och psykiatriska störningar.”