Potřeba spánku se mohla objevit již před rozvojem centrálního nervového systému. K tomuto závěru došli američtí vědci, kteří zkoumali chování medúz. Vědci zjistili, že v noci se medúzy dostávají do stavu klidu nebo jednoduše spánku. Článek uveřejněný v časopise Current Biology.
Spánek je jednou ze základních fyziologických potřeb vyvinutých organismů, nezbytných pro udržení jejich vnitřního stavu. Neurony zodpovědné za spánek se nacházejí nejen u savců, ale také u ryb, hmyzu a škrkavek, z čehož mnozí vědci usoudili, že potřeba spánku vznikla v procesu evoluce v důsledku vývoje centrální nervové soustavy (dokonce i ten nejjednodušší). Nyní se však objevují argumenty ve prospěch skutečnosti, že jedinci bez centrálního nervového systému mají také schopnost spát.
Autoři nové studie zkoumali potřebu spánku na příkladu Cassiopeia (lat. Cassiopea spp.) je malá medúza, která je známá tím, že žije ve stavu „vzhůru nohama“ (s chapadly směřujícími nahoru) na dně oceánu. Medúzy (celkem 23) byly chovány v akváriích, která byla osvětlena podle 24hodinového denního cyklu (12 hodin světla a 12 hodin tmy). Pozorování probíhala po dobu šesti dnů.
Jelikož se tento druh medúzy vyznačuje téměř úplným nedostatkem fyzické aktivity (stěží plavou), byly jako hlavní ukazatel aktivity brány v úvahu tělesné kontrakce, které tito jedinci potřebují pro podporu života. Prostřednictvím těchto kontrakcí medúza přijímá živiny zvenčí a také uvolňuje odpad. Vědci předpokládali, že pokles počtu kontrakcí by naznačoval, že medúza je ve stavu klidu. Stav klidu v určitou denní dobu (zejména v noci při nedostatku světla) bude znamenat, že medúza je ve stavu spánku.
Vědci zjistili, že počet kontrakcí se v noci ve srovnání s dnem snižuje o 32 procent. Aktivita medúz se snížila během prvních tří až šesti hodin po setmění.
Cassiopeias ve svém obvyklém prostředí preferují tvrdé povrchy a žijí na dně. Proto, když se dostanou do akvária, spěchají, aby zaujali své obvyklé místo. Vědci předpokládali, že spící medúzy budou mít pomalejší dobu odezvy, v důsledku čehož jim bude v noci trvat déle, než se dostanou ke dnu. Aby to vědci otestovali, zvedli medúzy na povrch akvária, pak je vypustili a sledovali dobu první kontrakce a dobu, za kterou zvířata dosáhla dna.
Výsledky experimentu ukázaly, že reakce zvířat byla v noci pomalejší: dosažení dna strávila v průměru o pět sekund déle a první kontrakce nastala o tři sekundy později než ve dne.
Poté vědci sledovali medúzy, které byly v noci zbaveny „spánku“. K tomu každých 20 minut po dobu šesti hodin v noci vypouštěli proudy vody ve směru ke zvířatům. Těla medúz se v reakci na podnět začala intenzivně stahovat. Během následujícího dne byl však počet kontrakcí o 12 procent nižší než během běžného dne. To umožnilo vědcům dospět k závěru, že medúzy zbavené nočního odpočinku vykazují „únavu“ během dalšího dne.
Aby se ujistili, že taková „únava“ byla způsobena právě nedostatkem nočního odpočinku, a nikoli intenzivní fyzickou aktivitou, zopakovali vědci experiment během dne a nezjistili žádné rozdíly v aktivitě před a po. Vědci tedy zjistili, že noční odpočinek je pro medúzy nezbytný pro homeostázu – samoregulaci vnitřního stavu (v tomto případě regulace aktivity nezbytné pro podporu života).
Nakonec, aby vědci zjistili, zda spánek medúz závisí na jejich cirkadiánním rytmu (vnitřním cyklu dne a noci), opakovali pozorování po dobu 36 hodin s konstantním nebo žádným světlem. Vědci nenašli žádnou cirkadiánní regulaci spánku při konstantním světle, ale našli ji v úplné tmě – což znamená, že spánek medúz je částečně regulován „vnitřními“ hodinami.
Získané výsledky umožnily vědcům dospět k závěru, že potřeba spánku se objevila ve fázi evoluce, která předcházela vývoji centrálního nervového systému. Navzdory skutečnosti, že reakce medúz na vnější podněty a další faktory naznačovaly, že jsou ve stavu klidu, přesné závěry, že tato zvířata skutečně spí, lze učinit pouze sledováním jejich aktivity na buněčné úrovni. To je to, co vědci plánují udělat ve svém budoucím výzkumu.
Vědci nedávno objevili skupinu inhibičních neuronů odpovědných za spánek v mozcích myší. Na našem blogu si také můžete přečíst o studiu základních aspektů spánku na příkladu škrkavek.
Elizaveta Ivtushok
Našli jste překlep? Vyberte fragment a stiskněte Ctrl + Enter.
Během vývoje larev Drosophila se současně objevily spánkové biorytmy a dlouhodobá paměť
K tomu došlo po vytvoření neurálního spojení mezi buňkami cirkadiánních hodin a neurony Dh44
Biologové určili bod, kdy cirkadiánní hodiny začínají řídit cykly spánku a bdění larev ovocných mušek. Ukázalo se, že k tomu dochází na začátku třetího dne vývoje pod vlivem nového spojení mezi neurony cirkadiánních hodin a buňkami Dh44, které řídí bdělost larev. Po vytvoření tohoto spojení se navíc u larev vyvinula dlouhodobá paměť. Studie byla publikována v časopise Science Advances. Cirkadiánní rytmy se u mnoha druhů vytvářejí v nejranějších fázích vývoje. Například u savců synchronizují buňky suprachiasmatického jádra miminka svou rytmickou aktivitu i během těhotenství. Mnohé maminky novorozenců však mohou potvrdit, že děti v tomto věku spí v noci jen zřídka a přes den jsou vzhůru – v podstatě je jejich spánek rovnoměrně rozložen do celého dne. Výzkum potvrzuje, že cykly spánku a bdění u kojenců jsou nejčastější mezi třemi a dvanácti měsíci. Doposud nebylo jasné, proč i přes práci buněk cirkadiánních hodin vznikají cykly spánku a bdění poměrně pozdě a jak tento proces ovlivňuje další mozkové funkce, jako je dlouhodobá paměť. Výzkumníci z University of Pennsylvania pod vedením Amy R. Poe) studoval podobný proces u Drosophila. Biologové sledovali okamžik, kdy se u larev much objevují cykly spánku a bdění – stalo se tak na začátku třetího dne vývoje. Aby vědci pochopili, co se přesně děje s cirkadiánními rytmy v tuto chvíli, studovali aktivitu mozkových neuronů u larev. Nejprve otestovali neurony, které produkují neuropeptid Dh44, protože se nacházejí v oblasti cirkadiánních hodin dospělých much.K tomu vytvořili transgenní hmyz, ve kterém tyto buňky syntetizovaly iontový kanál citlivý na teplo. Když byly tedy larvy umístěny do teplého prostředí, v neuronech Dh44 začal proud iontů a došlo k jejich aktivaci. Ukázalo se, že tyto buňky se skutečně podílejí na regulaci spánkových cyklů: po jejich aktivaci larvy ve druhém stádiu spaly přes den méně (p < 0,0001). Poté se vědci rozhodli zkoumat, jak se aktivita těchto buněk mění při přechodu z druhého stádia larev do třetího – v okamžiku výskytu spánkových rytmů. Ukázalo se, že aktivita Dh44 se mezi prvním a druhým stupněm neliší, ale klesá na začátku třetího. To bylo také v souladu se zvýšeným množstvím spánku, které larvy toho dne měly: aktivita neuronů se snížila a přestaly uplatňovat svůj povzbuzující účinek na larvy. Biologové navrhli, že v tuto chvíli komunikují neurony Dh44 s buňkami, které nastavují obecný cirkadiánní rytmus pro tělo mouchy. K tomu sledovali nervová spojení tohoto mozkového centra. Při přechodu z druhého do třetího stupně totiž neurony Dh44 vytvořily spojení s jednou z hodinových buněk – DN1a. Vědci také potvrdili, že aktivace DN1a skutečně zapíná Dh44 a prodlužuje dobu bdělosti u larev. Poté se vědci rozhodli otestovat, jak vznik spojení mezi cirkadiánními rytmy a cykly spánku a bdění ovlivňuje další procesy v mozku hmyzu. S vědomím, že k přechodu z krátkodobé do dlouhodobé paměti dochází během spánku, testovali biologové oba typy paměti na zvířatech. Použili k tomu standardní test na takové úkoly – zjišťovali, jak si larvy pamatují ohavné pachy. Ve druhém i třetím stádiu larvy prošly testy krátkodobé paměti stejně dobře, ale dlouhodobá paměť se objevila až při přechodu mezi nimi. Aktivace neuronů Dh44, která snížila množství spánku u larev, zároveň narušila procesy dlouhodobé paměti. Biologové tedy nejen podrobně popsali, jak buňky cirkadiánního rytmu začínají řídit cykly spánku a bdění, ale také ukázali, že tento proces je velmi důležitý pro rozvoj tak komplexních kognitivních funkcí, jako je dlouhodobá paměť. Spánek a paměť spolu skutečně úzce souvisí – nedostatek spánku může dokonce vymazat vzpomínky.
Když se Ravi Nath zeptal svých přátel, zda medúza spí, zjistil, že většina lidí si myslela, že zná odpověď. Zhruba polovina říká ano a polovina ne. Někteří vědci tvrdí, že podle konvenční moudrosti mohou skutečně spát pouze savci a ptáci. Jiní lidé si myslí, že i rostliny mají něco podobného jako spánek. “Každý, koho jsem se zeptal, má svůj názor,” říká Nat, “dokonce i 10leté dítě má odpověď.”
Nat má také svou vlastní verzi. Spolu se svými přáteli a kolegy z Caltechu Claire Bedbrook a Michael Abrams provedl sérii experimentů na medúzách jménem Cassiopeia, které potvrdily, že medúzy skutečně hibernují. Každou noc jsou méně aktivní a reagují. Lze je snadno probudit, ale pokud jsou o tato pomalá období příliš dlouho ochuzeni, stanou se druhý den ještě pasivnější a pomalejší v reakci, jako by se „zhroutili“. A to má zase velký význam pro pochopení toho, jak se spánek vyvíjí a proč.
Spánek je v živočišné říši rozšířen. Ryby, mouchy, dokonce i hlístice, které Nat studuje, spí. Medúzy však patří k jedné z nejstarších skupin živých tvorů, která se od zbytku oddělila nejméně před 600 miliony let. Pokud mají také verzi snu, naznačuje to, že kořeny tohoto chování jsou starší, než kdokoli tušil.
Sní medúzy o vodních ovcích? Nikdo nemůže odpovědět
Zatím není jasné, proč vůbec živé tvory spí, ale o teorie není nouze. Vědci tvrdili, že spánek pomáhá lidem očistit mozek od toxinů, konsolidovat informace nebo nabít mozek na nový den učení. Žádná z těchto hypotéz ale v případě medúz nedává příliš smysl, protože nemají vůbec žádný mozek. Jednoduše mají nervovou síť – volný prstenec neuronů, který se nachází podél okraje pulsujících zvonů. “Možná, že důvod, proč existuje spánek, je něco zásadnějšího než úspora energie,” říká Bedbrook, “může to být něco nezbytného pro nervový systém, bez ohledu na to, jak jednoduché nebo složité.”
Bedbrook a přátelé začali studovat Cassiopeiu v bytě vědce a sledovali její pohyby pomocí světla z jejího iPhonu. Cassiopeia je obrácená medúza. Málokdy plave, ale místo toho sedí převráceně na hladině a pomocí svého pulzujícího zvonu nasměruje vodu ke svým chapadlům. A tyto pulzující pohyby se v noci zpomalily. “Když se na ně podíváte v noci, můžete opravdu říct, že jsou méně aktivní než ve dne,” říká Bedbrook.
Namísto spoléhání se na pozorování vyvinulo trio zobrazovací systém, který automaticky počítal pulsy medúzy během několika dní a nocí. “Okamžitě jsme viděli celý obrázek,” říká Bedbrook. Medúzy jsou v noci o 30 procent méně aktivní. Pulzují méně často a procházejí několika pauzami v délce 10-20 sekund, během kterých zcela přestanou pulzovat.
Spánek však není jen nečinnost. Je definováno několika dalšími kritérii – a trio začalo každé z nich testovat.
Za prvé, nečinnost musí být reverzibilní; pokud se nemůžete probudit, pak lze váš stav spíše charakterizovat jako kóma než jako spánek. Když trojice medúzy probudila tím, že jim nabídla noční jídlo, všimli si, že zvířata se během dne stala stejně aktivní jako obvykle.
Za druhé, spící zvíře musí být nevnímavé – upoutat jeho pozornost, když spí, vyžaduje větší úsilí, než když je vzhůru. Aby to trio otestovalo, umístilo své medúzy do PVC trubky s průhledným dnem. Zvednutím trubky a jejím následným spuštěním se jim podařilo zvíře nakrátko umístit doprostřed vody. Cassiopeia nerada plave volně a obvykle se vznáší. Ale v noci reagovala mnohem pomaleji; připomínalo to, jak se ostatní tvorové stávají po spánku nemotornějšími.
“Bylo to velmi přesvědčivé,” říká Bedbrook. „Někdy, když jsme v noci hodili medúzu do vody, nepulzovala, jen plavala na dně. To je velmi odlišné od toho, jak reagovala na podněty během dne.” Když ale vědci experiment po pouhých 30 sekundách zopakovali, medúzy reagovaly stejně jako po celý den. “Teď je vzhůru!” říká Abrams.
Konečně, spící tvor musí trpět, pokud je zbaven spánku, a dostat, co potřebuje, další noc. „Pokud v noci nespíme, druhý den se cítíme unavení,“ vysvětluje Rath. On a jeho přátelé testovali tento účinek na svých medúzách tak, že je každých 20 minut narušili proudy vody. Po každé injekci tvor pulzoval rychleji a pak se vrátil do neaktivního stavu. A po celé noci úzkosti byly ona a ostatní medúzy druhý den méně aktivní. Naopak stejné vodní proudy, které je rušily během dne, kdy byli tvorové vzhůru, takový účinek neměly.
Spánek medúzy není jako lidský spánek. Je mnohem starší.
Jedná se o působivý soubor výsledků. Pro Nadine Gravettovou z University of Witwatersrand, která pracovala na studiích sloního spánku, to ale nestačí. Říká, že vědci obvykle studují spánek pomocí elektrod na hlavách zvířat, které používají k měření elektrické aktivity v mozku. Bez toho „nemůžete říct, že medúzy mají spánkový stav,“ říká Gravett. “Nejvíce lze říci, že v kontrolovaných laboratorních podmínkách vykazují určitá období nečinnosti – a možná v těchto obdobích dochází ke spánku.”
Isabella Capellini z University of Hull ale poukazuje na to, že elektrické záznamy se používají pouze ke kvantifikaci spánku u savců a ptáků, ale nikoli například u ryb nebo hmyzu. “Při studiu spánku u takových živých tvorů se můžeme spolehnout pouze na chování,” říká.
Na základě této definice experimenty tria Kalifornské univerzity „poskytují silné důkazy o existenci spánku u medúz,“ dodává Cheryl Van Buskirk z California State University. „To naznačuje, že spánek nemusí být výsledkem složitosti nervového systému, ale spíše je základní vlastností neuronů. Proč excitabilní buňky vyžadují období snížené aktivity, zůstává záhadou, ale nepřekvapilo by mě, kdyby odpověď přišla ze studií, jako jsou tyto.”
Nat skepsi chápe. To je stejná reakce, se kterou se výzkumníci setkali, když poprvé začali tvrdit, že mouchy nebo červi mohou spát. Netvrdí ale, že spánek medúzy je úplně stejný jako spánek člověka. Je mnohem starší. Má mnoho stejných funkcí, ale například neexistuje žádná zřejmá analogie k REM spánku – období, kdy se naše zavřené oči rychle pohybují, svaly se uvolňují a náš mozek vykazuje živé sny. Sní medúzy o vodních ovcích? Nikdo nemůže odpovědět.
Dalším krokem týmu je studium genů medúzy. Geny, které ovlivňují spánek u much a červů, jsou stejné jako u myší a lidí a na základě předběžných studií genomu Cassiopeia si myslí, že dělá totéž. “Musíme je nějak zablokovat, abychom pochopili, jak ovlivňují chování,” říká Abrams.
Samozřejmě se zdá, že medúzy reagují na stejné chemikálie navozující spánek, které ovlivňují lidský mozek. Když vědci těmto tvorům vstříkli melatonin, hormon, díky kterému lidé spí, pulzovali pomaleji. A když medúzy léčili antihistaminiky – třídou léků, které často způsobují ospalost lidí – reakce byla stejná.
“Zkoušeli jsme však kofein a nenašli jsme žádnou reakci,” říká Bedbrook.
“Takže je to mnohem složitější,” dodává Abrams. “Například káva nefunguje.”
