Смертельная усталость: чем опасно долгое отсутствие сна?

До сих пор научному сообществу не удалось полностью понять, что происходит в мозге и других частях организма во время сна. Однако в 2019 году израильские биологи раскрыли реальную причину того, почему нашему мозгу нужен сон, обратив внимание на длительную и повышенную активность нейронов, которая ведет к накоплению разрывов и других серьезных повреждений в ДНК. Это позволило ученым предположить, что мозг использует время сна для ускоренного восстановления подобных повреждений двойной спирали и других процедур регенерации клеток.

Чтобы проверить эту гипотезу, они изменили геном рыб-зебр таким образом, чтобы концевые участки их хромосом начали светиться. Также ученые внедрили аналогичные сегменты ДНК в другой набор генов, что привело к тому, что нейроны стали излучать свет при активации. Оказалось, что хромосомы в нейронах рыб-зебр оставались практически неподвижными и частично «свернутыми» во время бодрствования. Однако когда рыба засыпала, «размах» движений нитей ее ДНК увеличивался почти вдвое, заставляя хромосомы постоянно менять свое расположение.

Параллельно происходили два других значимых изменения: уровень электрической активности связанных групп нейронов значительно снижался, а количество молекул, участвующих в восстановлении разрывов в геноме, резко увеличивалось. Ученые также выяснили, что происходит, если хромосомам помешать двигаться. Для этого они внедрили дополнительные копии гена Lap2B, который управляет производством белкового "клея", объединяющего хромосомы. Результаты показали, что это замедлило процесс регенерации ДНК и привело к увеличению количества повреждений в геноме в ночное время.

Таким образом, сон и связанные с ним процессы внутри нейронов оказались критически важными для их выживания и работоспособности. Автор исследования Лиор Аппельбаум предполагает, что сон необходим всем организмам для эффективного восстановления ДНК, и, возможно, именно поэтому эта форма активности возникла в далеком прошлом и сохранилась до наших дней.

Ранее предполагалось, что одна из главных функций сна заключается в активном очищении мозга от токсинов. Однако в мае 2024 года ученые из Имперского колледжа Лондона провели исследования на мышах и опровергли этот популярный миф. Для изучения мозга они использовали флуоресцентный краситель, что позволило им наблюдать скорость его перемещения из заполненных жидкостью желудочков в другие области мозга и выведения.

Исследование показало, что клиренс красителя был снижен примерно на 30% у спящих мышей и на 50% у мышей под наркозом по сравнению с бодрствующими мышами. Ученые предполагают, что эти результаты могут быть применимы и к людям, поскольку сон представляет из себя основную потребностью всех млекопитающих.

Профессор Билл Уисден отметил, что нарушение сна — распространенный симптом у людей с деменцией, но до сих пор неясно, служит ли это следствием или причиной прогрессирования заболевания. Возможно, что хороший сон действительно помогает снизить риск деменции по причинам, не связанным с выведением токсинов. Он также подчеркнул, что исследование показывает, что очищение мозга во время бодрствования происходит также очень эффективно.

Отсутствие полноценного сна часто бывает неизбежным из-за работы, учебы или других забот. Исследования показывают, что 24-часовое бодрствование сравнимо с наличием в крови концентрации алкоголя 0,10%. Если не спать сутки, возникают сонливость, раздражительность, изменение восприятия, памяти, зрительно-моторной координации и повышенное мышечное напряжение. Хотя симптомы отсутствия сна обычно сглаживаются после отдыха, продолжительное бодрствование на протяжении 36 и более часов уже может серьезно навредить организму. Компания Verywell Health выделяет ключевые негативные последствия лишения сна:

• несчастные случаи: часто виной этому бывает засыпание за рулем, но также невнимательность и потеря концентрации, возникающие из-за усталости, могут быть опасными. Это может проявляться в авариях на автобусах, поездах, самолетах и ​​автомобилях;
• травмы и несчастные случаи на производстве;
• сердечно-сосудистые заболевания;
• диабет: риск развития или ухудшения болезни, так как недостаток сна влияет на обмен веществ и уровень сахара в крови;
• ожирение;
• психические заболевания, такие как эмоциональная нестабильность или депрессия, которые могут возникнуть из-за длительного недосыпания.

На основании обширного опыта множества исследований можно с уверенностью сказать, что продолжительное нарушение или полное отсутствие сна приводит к серьезным проблемам и даже смерти у животных и людей. Тем не менее механизмы, стоящие за этим процессом, до сих пор не описаны. Однако в 2020 году исследователи из Гарвардской инициативы по изучению мозга (HBI) выяснили, что длительное лишение сна может привести к летальному исходу из-за высокого уровня активных форм кислорода в кишечнике у животных, чьи гены, регулирующие сон, схожи с человеческими.

Так, применяя генетическую манипуляцию, ученые активировали термочувствительный белок, который при температуре 29°C подавляет сон, что привело к гибели всех мух к 20-му дню эксперимента, в то время как немодифицированные мухи контрольной группы прожили 40 дней в аналогичных условиях. При анализе клеточных изменений у насекомых без сна по сравнению с контрольной группой было обнаружено, что умершие от недосыпа насекомые на 10-й день эксперимента продемонстрировали избыток молекул АФК в кишечнике, уровень которых снижался при восстановлении сна. Дело в том, что избыточное присутствие этих молекул вызывает окисление и повреждение ДНК, липидов и белков, что приводит к гибели клеток. Дополнительные исследования на мышах, которых лишали сна путем мягкой механической стимуляции, позволяющей поддерживать бодрствование на протяжении пяти дней, показали, что у них, как и у мух, уровень АФК повышался исключительно в тонком и толстом кишечнике.

Таким образом, исследование HBI показало, что кишечник — ключевая зона, где происходят окислительные процессы при сильном подавлении сна. Они аналогичны тем, что происходят у людей при хроническом недосыпе, распространенном в современном обществе. Это может объяснить связь между нехваткой сна и некоторыми патологиями, включая желудочно-кишечные заболевания. Юсеф Каплан Дор, один из авторов исследования, заявил, что ученые пока не понимают, почему потеря сна приводит к накоплению АФК в кишечнике и почему это приводит к смерти. По его мнению, этот механизм вполне может запускаться мозгом, а причиной смерти могут быть повреждения кишечника, общее воздействие АФК на организм, или сочетание обоих факторов.