На клеточном уровне сон никогда не является отдыхом. Во время бодрствования клетки мозга активно усваивают новую информацию, и во время сна как будто переваривают ее, воспроизводя и повторяя. Во время фазы медленного сна волны мозговой активности затухают, движения глаз замедляются, человек перестает видеть сны. Ученые долгое время считали, что именно в это время происходят основные процессы формирования памяти, но физиологические основы этих процессов оставались неизвестны.
Чтобы глубже проникнуть в механизмы запоминания, исследователи из медицинского школы Университета Нью-Йорка (New York University School of Medicine) вывели мышей, у которых в нейронах экспрессируется флуоресцентный белок. Это позволило им в режиме реального времени следить за изменениями формы клеток, в частности, видеть, как формируются и меняют свою форму дендритные шипики в отдельных ветвях клеток. Мышей обучали балансировать на вращающейся круглой палочке, и следили, как обучение связано с формированием новых контактов между клетками мозга.
В одном из экспериментов Гань Вэнь Бяо (Wen-Biao Gan) и коллеги тренировали одну группу мышей в течение часа, после чего мыши спали 7 часов. Вторую группу также тренировали в течение часа, но эта группа далее бодрствовала. Мыши, лишенные сна, показали существенно уменьшенный рост дендритных шипиков, чем мыши, хорошо отдохнувшие после тренировки. В последующих сериях экспериментов ученые продемонстрировали, что в зависимости от типа задач, на которых проводили обучение, усиленный рост наблюдается в различных ветвях дендритов.
В результате работы, отчет о которой опубликован в Science, исследователям удалось выяснить, что когда мозг усваивает новую информацию, нейроны формируют новые связи с участием специфических ветвей. Образно это можно представить, как дерево, у которого листья растут только на той ветке, которая в этот момент обращена к солнцу. Те клетки моторной коры, которые активировались в процессе обучения, затем реактивировались во время сна, и нарушение этого процесса тормозило рост дендритных шипиков и значительно влияло на качество запоминания информации.
