Чувство, когда глаза слипаются, а мозг отказывается обрабатывать информацию, знакомо каждому. Мы называем это усталостью и знаем единственное лекарство — сон. Но почему он так необходим? Десятилетиями наука предлагала разные ответы: сон нужен для сортировки воспоминаний, для «очистки» мозга от метаболических отходов, для восстановления мышц. Все эти теории верны, но они описывают следствия, а не первопричину. Они не объясняют то непреодолимое, почти физическое давление, которое заставляет нас отключаться.
Новое исследование учёных из Оксфордского университета, опубликованное в престижном журнале Nature, предлагает поразительно простое и элегантное объяснение. Похоже, главная причина, по которой мы спим, — это фундаментальный механизм самосохранения наших клеток, защищающий их от энергетической перегрузки.
Чтобы понять суть открытия, нужно заглянуть внутрь практически любой клетки нашего тела. Там находятся митохондрии — микроскопические «энергетические станции». Их работа — аэробный метаболизм: они берут кислород, который мы вдыхаем, и питательные вещества из пищи, чтобы произвести АТФ (аденозинтрифосфат) — универсальную энергетическую валюту жизни. Без этого процесса мы бы не смогли ни думать, ни двигаться.
Команда под руководством профессора Геро Мизенбёка обнаружила, что проблема возникает не тогда, когда энергии не хватает, а, наоборот, когда её становится слишком много. В определённых нейронах мозга, отвечающих за регуляцию сна, интенсивная работа приводит к тому, что митохондрии начинают функционировать на пределе своих возможностей.
Представьте себе электростанцию, на которую подали слишком много топлива. Система перегревается и начинает работать нестабильно. Нечто подобное происходит и в клетке: перегруженные митохондрии начинают «протекать» — терять электроны. Эти «беглые» электроны тут же вступают в реакцию с кислородом, образуя так называемые активные формы кислорода (АФК).
АФК — это настоящие молекулярные вандалы. Они химически агрессивны и способны повреждать всё, с чем соприкасаются: клеточные мембраны, белки и даже ДНК. Накопление таких повреждений — один из ключевых факторов старения и развития многих заболеваний.
a, Протонные насосные комплексы I, III и IV преобразуют энергию переноса электронов от NADH к O2 — через промежуточные соединения CoQ и цитохром c (cyt c) — в электрохимический градиент протонов, ∆p, через IMM. Ucp4 разряжает, а освещение (hν) mito-dR заряжает IMM. Возвращение вытесненных протонов в матрикс приводит в движение лопасти АТФ-синтазы и производит АТФ, который покидает матрикс через sesB в обмен на цитоплазматический АДФ. Потребление АТФ нейронами зависит от активности, отчасти потому, что Na+-K+ АТФаза плазматической мембраны должна восстанавливать ионные градиенты, рассеянные действием и возбуждающими синаптическими токами. Избыточное поступление (по отношению к потребности в АТФ) электронов к CoQ увеличивает риск одноэлектронного восстановления O2 до O2− в комплексах I и III. AOX снижает этот риск. b, c, Проекции суммарной интенсивности дендритов dFBN, экспрессирующих iATPSnFR плюс RFP (b) или ATeam (c), у мух в состоянии покоя и с депривацией сна (SD). Коэффициенты излучения кодируются по интенсивности в соответствии с приведенными ниже ключами и увеличиваются после лишения сна (P < 0,0001 (b) и P = 0,0003 (c); двусторонний тест Манна-Уитни). d, Возбуждающее тепло повышает уровень АТФ в dFBN, экспрессирующих iATPSnFR плюс tdTomato. Средняя флуоресценция была количественно оценена в 20-секундных окнах непосредственно до и после стимуляции (P = 0,0152, двусторонний парный t-тест) и представлена в виде изменения коэффициента интенсивности флуоресценции (∆R/R) с коэкспрессируемым tdTomato по отношению к базовому уровню до стимуляции. e, Оптогенетическая стимуляция рассеивает АТФ в dFBN, экспрессирующих iATPSnFR и CsChrimson, но не в dFBN, лишенных CsChrimson (P = 0,0076, двусторонний t-критерий). ∆F/F — изменение интенсивности флуоресценции по отношению к базовому уровню до стимуляции. f, Сон у мух, экспрессирующих R23E10 ∩ VGlut-GAL4-управляемый Ucp4A или Ucp4C, и родительские контроли (P ≤ 0,0381, тест Холма-Сидака после анализа дисперсии (ANOVA)). g, h, Сон в течение первых 60 минут после освещения (g; P ≤ 0,0432, тест Данна после ANOVA Крускала-Уоллиса) и кумулятивные проценты сна у мух, экспрессирующих R23E10 ∩ VGlut-GAL4-управляемый mito-dR, с или без сетчатки, и родительские контроли (h; эффект фотогенерации ∆p: P < 0,0001, взаимодействие времени и фотогенерации ∆p: P < 0,0001, модель смешанных эффектов). Звездочки обозначают значимые различия (P < 0,05) по сравнению с обоими родительскими контрольными группами или в запланированных парных сравнениях. Данные представлены в виде средних значений +- стандартная ошибка среднего; n — количество дендритных областей (b, c) или мух (d-h). Масштабная линейка — 5 мкм (b, c). Цитирование: Sarnataro, R., Velasco, C.D., Monaco, N. et al. Mitochondrial origins of the pressure to sleep. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09261-y
Автор: Sarnataro, R., Velasco, C.D., Monaco, N. et al.Источник: www.nature.com
Когда предохранитель выбивает
И вот здесь начинается самое интересное. Организм придумал гениальное решение. Оксфордские исследователи выяснили, что специализированные нейроны, управляющие сном, ведут себя как сверхчувствительные биологические датчики. Они непрерывно измеряют уровень этой самой «утечки электронов».
Как только количество АФК превышает безопасный порог, эти нейроны срабатывают подобно автоматическому предохранителю в электрощитке. Они принудительно запускают каскад реакций, который погружает мозг (и весь организм) в сон. Это не просто отдых — это аварийное отключение системы для предотвращения катастрофы. Сон даёт митохондриям время «остыть», восстановить баланс и прекратить опасную утечку.
Но как доказать такую смелую гипотезу? Учёные провели изящный эксперимент на плодовых мушках дрозофилах, чей механизм регуляции сна удивительно похож на человеческий.
Во-первых, они научились искусственно увеличивать и уменьшать поток электронов в митохондриях ключевых нейронов. Результат был однозначным: чем выше была энергетическая нагрузка и «утечка», тем дольше спали мушки.
Во-вторых, в самом элегантном тесте они полностью заменили биохимическую энергию на световую (метод, известный как оптогенетика). Направляя свет на нейроны, они заставляли их работать и генерировать энергию. И снова тот же эффект: больше энергии — сильнее утечка, крепче сон.
Это доказывает, что триггером является не какой-то конкретный гормон усталости, а сам физический процесс энергетического дисбаланса.
a, b, Объемные рендеры (a) и морфометрические параметры (b) автоматически обнаруженных митохондрий в стеках изображений OPRM дендритов dFBN у мух в состоянии покоя, мух с депривацией сна и мух, которым было разрешено восстанавливаться в течение 24 часов после депривации сна. Зависимость изменений количества митохондрий (P < 0,0001, тест Холма-Сидака после ANOVA), объема (P = 0,0470, тест Данна после ANOVA по Крускалу-Уоллису) и сферичности (P = 0,0124, тест Данна после ANOVA по Крускалу-Уоллису) и длины ветвей (P = 0,0033, тест Данна после ANOVA по Крускалу-Уоллису) заслоняются коэкспрессией AOX (P ≥ 0,2257, двусторонний t-тест или тест Манна-Уитни) или одновременной активацией TrpA1 (P ≥ 0,0625, двусторонний t-тест или тест Манна-Уитни) и (пере)корректируются после восстановительного сна (количество митохондрий: P = 0,1551, все остальные параметры: P ≤ 0,0302, тест Данна после ANOVA Крускала-Уоллиса). Две точки данных, выходящие за пределы оси y, отображены в виде треугольников в верхней части графиков; среднее значение и стандартная ошибка среднего основаны на фактических значениях. c, Рекрутирование Drp1. Одиночные конфокальные изображения через соматические клетки dFBN мух, экспрессирующих mito-GFP, управляемый R23E10-GAL4 (вверху), и Drp1Flag из эндогенного локуса (внизу). Лишение сна увеличивает процент клеточной анти-Flag-флуоресценции (интенсивность кодируется в соответствии с ключом ниже) в пределах автоматически обнаруженных контуров митохондрий (P < 0,0001, двусторонний тест Манна-Уитни). d, Контакты митохондрий с эндоплазматическим ретикулумом. Изоповерхностные рендеры (значение вокселя 128) точек SPLICS в дистальных ветвях дендритов dFBN (пунктирные контуры), полученные путем трилинейной интерполяции пороговых и обезпеккеленных конфокальных стеков изображений. Лишение сна увеличивает количество точек SPLICS на дендритное поле (P < 0,0001, двусторонний тест Манна-Уитни). e, Митофагия. Проекции суммарной интенсивности дендритов dFBN, экспрессирующих mito-QC. Коэффициенты эмиссии кодируются по интенсивности в соответствии с приведенной ниже шкалой и увеличиваются после лишения сна (P = 0,0101, двусторонний t-критерий). Данные представлены в виде средних значений +- s.e.m.; n — количество дендритных областей (b, d, e) или соматических клеток (c); звездочки — значимые различия (P < 0,05) в запланированных парных сравнениях. Масштабные линейки: 10 мкм (a), 2 мкм (c), 10 мкм (d), 5 мкм (e). Цитирование: Sarnataro, R., Velasco, C.D., Monaco, N. et al. Mitochondrial origins of the pressure to sleep. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09261-y
Автор: Sarnataro, R., Velasco, C.D., Monaco, N. et al.Источник: www.nature.com
От мушек до человека: что это значит для нас?
Хотя исследование проводилось на мушках, его выводы имеют огромное значение для понимания биологии человека. Эта теория элегантно объясняет несколько давно известных, но не до конца понятых явлений.
Связь метаболизма и продолжительности жизни. Мелкие животные (вроде мышей) имеют очень быстрый метаболизм — они потребляют много кислорода на грамм веса. И они, как правило, спят гораздо больше, а живут меньше. Теперь понятно почему: их «энергетические станции» работают с постоянной перегрузкой, генерируя больше повреждений и требуя более частого «отключения» для ремонта.
Хроническая усталость при болезнях. Люди с митохондриальными заболеваниями страдают от изнурительной слабости, даже если не прилагают никаких физических усилий. Новая теория даёт этому прямое объяснение: их митохондрии неэффективны и «протекают» даже при низкой нагрузке. Их клеточные «предохранители» постоянно находятся на грани срабатывания, вызывая перманентное чувство усталости.
Сон и старение. Процесс старения во многом связан с накоплением клеточных повреждений от АФК. Сон, получается, — это наш главный ежедневный ритуал борьбы со старением на самом фундаментальном уровне.
Эта работа меняет сам взгляд на природу сна. Это не пассивное состояние, а активный, жизненно важный процесс защиты от клеточного саморазрушения. Каждый вечер, когда нас неумолимо тянет в кровать, это не просто каприз мозга. Это сигнал тревоги от миллиардов крошечных электростанций, которые просят дать им передышку, чтобы завтра они снова могли снабжать нас энергией для жизни.
