Denník N

Slovák publikoval v Science, skúmal procesy zaspávania a prebúdzania sa

Spánok. Eugen Lehotský. Foto – webumenia.sk
Spánok. Eugen Lehotský. Foto – webumenia.sk

Podľa výsledkov výskumu na červoch predstavuje spánok základný stav neurónov, do ktorého sa prirodzene vracajú. „Zistenia majú potenciál pomôcť s nápravou porúch spánku,“ vraví vedec Tomáš Eichler.

Spánok pozná takmer každý živočích na svete. Aj napriek tomu, že je veľmi rozšírený, ide o jeden z najzáhadnejších biologických procesov vôbec.

Aktivita predstavuje istú nevýhodu, pretože keď živočích spí, stáva sa ľahkou obeťou pre predátora. Počas spánku nemajú živočíchy prístup k potrave a nemôžu sa páriť alebo inak socializovať.

Prečo teda spánok potrebujeme? Ako prebieha zaspávanie a prebúdzanie? Čo kontroluje tieto procesy? Ostáva časť neurónov počas spánku činná a reguluje prebúdzanie? Neurogenetik Tomáš Eichler, ktorý pôsobí ako vedec vo Viedni, hľadá odpovede na tieto a príbuzné otázky neurobiológie.

Ako súčasť tímu Manuela Zimmera z Výskumného inštitútu molekulárnej patológie (IMP) publikoval koncom júna štúdiu v prestížnom vedeckom žurnále Science. Vedci v nej opísali procesy prebiehajúce počas spánku a zobúdzania sa modelového organizmu, červa Caenorhabditis elegans (skrátene C. elegans).

Autori zistili, že keď tieto červy zaspávajú, neuróny sa im inaktivujú takmer všetky naraz. Naznačuje to, že spánok predstavuje pre tieto organizmy akýsi základný a pasívny stav, do ktorého sa ich nervový systém vracia, keď neprijímajú podnety z prostredia.

Stavba tela modelového červa C. elegans, jeho tráviaca a nervová sústava na priereze. Tieto červy slúžili ako modelový organizmus pre výskum spánku a prebúdzania sa. Foto – Martina Ribar Hestericová

Zložitý proces, jednoduchý organizmus

Červy C. elegans sa vyskytujú aj vo voľnej prírode. „Tieto červy obľubujú hnijúce listy a iný organický materiál, nájdeme ich preto v komposte, ale bežne aj v hline, teda kdekoľvek, kde je hnijúca organická hmota, ktorú rozkladajú mikroorganizmy. Červy C. elegans sa nimi živia,“ vysvetlil pre Denník N Eichler.

V laboratóriu predstavujú tieto červy unikátny modelový organizmus, najmä preto, že sú relatívne jednoduché. Majú len 302 neurónov z 959 somatických buniek, pričom spojenia medzi týmito neurónmi sú známe už 30 rokov.

Aj napriek tomu sa doteraz nedá presne predpovedať, ako sa bude ich nervový systém správať. Nová štúdia poskytuje nový nástroj, ktorý umožňuje pozorovať všetky neuróny súčasne, čím odhaľuje základné procesy spánku a zobúdzania sa na úrovni nervových buniek.

Červy C. elegans vykazujú vysokú molekulárnu podobnosť s človekom. Nespia síce tak ako ľudia (cez noc), no majú spánku podobný proces nazývaný „letargus“.

C. elegans je jediný genetický modelový organizmus s dostupnými nástrojmi molekulárnej biológie a s kompletne zmapovaným nervovým systémom. Navyše, červy majú takmer rovnaký počet génov ako človek, okolo 20-tisíc, a takmer všetky neurotransmitery cicavcov,“ priblížil Eichler. „V biológii sa snažíme nájsť ten najjednoduchší model na štúdium biologických procesov. C. elegans predstavuje ten najjednoduchší model na štúdium základných funkcií spánku.“

Červy C. elegans slúžia ako modelový organizmus na štúdium spánku. Pre ich podobnosť s človekom sa dajú použiť aj na štúdium procesov prebiehajúcich v našom mozgu. Foto – archív T. Eichler

Svietiace proteíny

Aby vedci preskúmali proces zaspávania červov C. elegans, pripravili špeciálne genetické mutanty s vyradenými signálnymi dráhami, ktoré umožňovali pozorovať aktivitu neurónov pomocou svetla. Mutantné červy obsahovali bielkovinu (zvanú GCaMP), ktorá v prítomnosti zvýšenej hladiny vápnika a UV žiarenia začala fluoreskovať na zeleno, čo bolo možné pozorovať pomocou mikroskopu.

Keďže vyplavenie vápnika predstavuje reakciu neurónu na stimuláciu, vedci mohli touto metódou presne skúmať, ktoré neuróny sú aktívne a ktoré nie. „Intenzita tohto svietenia zodpovedá koncentrácii vápnika, preto môžeme dokonca pozorovať, ako sa to dynamicky mení, ako rýchlo a ako veľmi táto hodnota stúpa,“ dodal Eichler.

Červ C. elegans slúži ako modelový organizmus pre veľa genetických výskumov. Foto – Bob Goldstein/ Wikimedia Commons

Počas experimentov červy pozorovali buď v ich prirodzenom prostredí, alebo znehybnené v mikrokvapalinovom zariadení. „V behaviorálnej časti výskumu sa červy voľne hýbali, aby sme ich pozorovali počas ich prirodzeného stavu vo väčšom množstve. Znehybnenie červov sme uskutočnili na pozorovanie neurálnej aktivity.

Uskutočnili sme to pomocou mikrokvapalinového čipu zo silikónu (PDMS), ktorý je priedušný pre plyny a obsahuje kanáliky s rovnakou hrúbkou ako priemer červa,“ vysvetľuje Eichler.

Neurogenetik dodal: „Červa sme do kanálika dopravili vo fyziologickom roztoku pomocou hadičky. Kanálik sme vlastne upchali červom, ktorý ostal nehybný a fixovaný v zornom poli mikroskopu. Bol pozorovateľný aj pri obrovskom zväčšení a nemuseli sme ho po sklíčku naháňať.“

Červy vystavili rôznym koncentráciám kyslíka, ktorý mal slúžiť ako podnet na prebudenie. Ak boli červy v štádiu letargusu vystavené nízkym hladinám kyslíka, väčšina ich neurónov prestala byť aktívna. Ak výskumníci obsah kyslíka v prostredí zvýšili, červy sa prebudili a začali byť aktívne.

Základný stav mozgu

Existuje niekoľko teórií, ako dochádza k samotnému prechodu z bdelosti do spánku a naopak. Prechod môže byť kontrolovaný určitou skupinou neurónov, ktoré ostávajú neustále bdelé a pohotové.

Druhou možnosťou je, že spánok je prirodzený stav neurónov, do ktorého upadajú pri nedostatku podnetov z okolia. Aj tento proces je kontrolovaný neurónmi, no nie je potrebná ich neustála aktivita.

Výsledky novej štúdie naznačujú, že u skúmaných červov spánok predstavuje spomínaný prirodzene základný stav, do ktorého sa neuróny vracajú, ak nemajú dostatočne veľa stimulov.

Ľudský spánok je samozrejme zložitejší než letargus červov. Je však možné, že procesy potrebné na prepínanie medzi bdelým stavom a spánkom, tak ako ich základné funkcie, sú veľmi podobné.

„Skúmanie prechodov medzi stavmi bdenia a spánku nám môže ukázať, ako funguje mozog. Tieto zistenia môžu pomôcť s nápravou porúch spánku, ale tam sa to nekončí. Môžeme zistiť, prečo sa ten istý mozog správa inak pri rôznych stavoch,“ vraví vedec Eichler.

„Naše objavy tiež môžu pomôcť objasniť, ako sa nervový systém vyvinul počas evolúcie. Každý organizmus s nervovým systémom má určitú formu spánku a je vysoko pravdepodobné, že spánok je neoddeliteľnou súčasťou evolúcie mozgu,“ dodal slovenský neurogenetik.

Dostupné z doi: 10.1126/science.aam6851.

Teraz najčítanejšie