У спящих рыб мозг переходит из одного состояния в другое, что чрезвычайно похоже на смену быстрой и медленной фаз сна.

Наш сон состоит из двух фаз, медленной и быстрой, которые отличаются по электрической активности мозга и вообще по физиологическому состоянию организма. Быстрый сон называют ещё REM-сон из-за быстрых движений глаз (REM – rapid eyes movements, фаза быстрых движений глаз). Один сонный цикл включает в себя фазу медленного сна (которая ещё и сама состоит из нескольких стадий), сменяющуюся быстрым сном; за ночь таких циклов бывает несколько.

(Фото: artyooran.gmail.com / Depositphotos) 

Нервные и мышечные клетки, светящиеся зелёным во время активности у модифицированной личинки полосатого данио. (Фото: Louis C. Leung / Stanford University School of Medicine)

Довольно долго считалось, что чередование быстрого и медленного сна есть только у зверей и птиц. Но совсем недавно удалось выяснить, что двухфазный сон есть и у рептилий – по крайней мере, у бородатых агам. С другой стороны, мы знаем, что у других животных – у мушек дрозофил, круглых червей, рыб, осьминогов – есть периоды покоя, которые очень сильно похожи на сон. Но чтобы в точности увидеть, как именно спят все эти создания, нужны были методы, позволяющие определённым образом измерять активность нейронов мозга.

Исследователи из Стэнфорда использовали один из таких методов, суть которого в том, что после генетической модификации нервные и мышечные клетки начинают синтезировать флуоресцирующую молекулу. Эта молекула начинает светиться, когда в клетке меняется уровень кальция; в свою очередь, уровень кальция в нервных и мышечных клетках резко меняется, когда они активничают. Следовательно, по светимости клеток можно понять, когда они активны и насколько они активны.

Нейроны и мышцы модифицировали у личинок рыбы Danio rerio, которые прозрачны и потому у них легко увидеть, что и как у них светится. Затем личинок убаюкивали разными способами: либо с помощью особых веществ, которые стимулируют активность нервных клеток, свойственную быстрому или медленному сну, либо просто долгое время не давая личинкам спать, либо устраивая им слишком беспокойный день.

Во всех случаях результаты были похожи – у рыбьих детёнышей во время сна было две фазы. Одна напоминала наш медленный сон: некоторые нервные клетки мозга время от времени демонстрировали короткие вспышки активности; одновременно мышцы рыб расслаблялись, а сердечный ритм замедлялся с 200 до 110–120 ударов в минуту.

Другая фаза была похожа на быстрый сон: весь рыбий мозг как будто просыпался, по нему прокатывались волны активности, но мышцы оставались расслаблены (как и у зверей в быстром сне), а сердечный ритм в среднем замедлялся ещё сильнее и становился нерегулярным (опять же как у зверей).

Правда, глаза у рыб в быстрой фазе оставались спокойными. Возможно, это связано с тем, что мозговые эмоциональные центры у рыб не слишком активны по сравнению с теми же млекопитающими, и такая скудная эмоциональность делает быстрый сон более спокойным. Авторы работы отмечают, что в целом активность спящего рыбьего мозга, пусть ненамного, но всё же отличается от активности мозга млекопитающих. Поэтому в отношении рыб лучше пока не использовать термины «медленный сон» и «быстрый сон», которые традиционно описывают состояние спящего мозга зверей и птиц.

Исследователи также смогли увидеть, с чего начинается быстрая фаза сна у рыб. В статье в Nature говорится, что когда в желудочках мозга (особых внутримозговых полостях со спинномозговой жидкостью) повышался уровень меланин-концентрирующего гормона, то у клеток, который выстилают полость мозговых желудочков, начинали чаще биться реснички на клеточной мембране.

Меланин-концентрирующий гормон известен как регулятор сна; очевидно, клетки чувствовали гормональный сигнал и каким-то образом передавали его всему остальному мозгу. Впрочем, остаётся пока неясным, как именно эти клетки сигнализируют остальным нейронам, что пора переходить к другой фазе сна. Похожие клетки есть и у в нашем мозге, но вживую за ними ещё ни разу не наблюдали. Возможно, благодаря рыбам мы узнаем кое-что новое и о нашем сне.

Такой сложный феномен, как многофазный сон, вряд ли мог получиться в ходе конвергентного развития, когда какой-то признак возникает независимо в разных группах организмов. Так что, скорее всего, условно быстрым и условно медленным сном спали уже общие предки рыб и наземных млекопитающих, обитавших на земле около 450 млн лет назад.