Ο ύπνος κατέχει ύψιστη σημασία μεταξύ των ανθρώπινων δραστηριοτήτων – η έλλειψή του ακόμη και για μία μόνο νύχτα μπορεί να εμποδίσει τις γνωστικές μας λειτουργίες, την ανταπόκριση και τη συνολική καθημερινή μας απόδοση. Παρά τον κρίσιμο ρόλο του στην υγεία και την επιβίωση, η επιστημονική κατανόηση του ύπνου παραμένει ελλιπής.
Η Dragana Rogulja, μια νευροβιολόγος επιχειρεί να ξεδιαλύνει τη βασική βιολογία του ύπνου. Η Rogulja βρέθηκε να έλκεται από ερωτήματα που θεωρεί “ευρέως ενδιαφέροντα και εύκολα κατανοητά σε βασικό ανθρώπινο επίπεδο”.
Ένα από αυτά τα ερωτήματα είναι τι συμβαίνει όταν κοιμόμαστε;
Για τη Rogulja, αναπληρώτρια καθηγήτρια νευροβιολογίας στο Ινστιτούτο Blavatnik της Ιατρικής Σχολής του Χάρβαρντ, μια ενδιαφέρουσα πτυχή του ύπνου είναι η απώλεια συνείδησης και συνειδητότητας που επιφέρει, καθώς ο εξωτερικός κόσμος εξαφανίζεται και ο εσωτερικός κόσμος αναλαμβάνει.
Σε μια συζήτηση με το Harvard Medicine News, η Rogulja ανέπτυξε τις λεπτομέρειες της έρευνάς της για τον ύπνο, η οποία χρησιμοποιεί φρουτόμυγες και ποντίκια για να διερευνήσει γιατί χρειαζόμαστε ύπνο και πώς αποσυνδεόμαστε από τον κόσμο κατά τη διάρκεια του ύπνου.
Harvard Medicine News: Τι μελετάτε στο πλαίσιο του ύπνου;
Rogulja: Υπάρχουν δύο βασικά ερωτήματα που το εργαστήριό μου επιδιώκει τα τελευταία χρόνια. Το πρώτο είναι γιατί ο ύπνος είναι απαραίτητος για την επιβίωση. Γιατί αν δεν κοιμηθείτε, θα πεθάνετε κυριολεκτικά μετά από όχι πολύ καιρό; Το άλλο ερώτημα είναι πώς ο εγκέφαλός σας αποσυνδέεται από το περιβάλλον όταν κοιμάστε.
Πώς εμποδίζονται τα ερεθίσματα να φτάσουν στον εγκέφαλό σας κατά τη διάρκεια του ύπνου; Το φράγμα που μπαίνει στην αισθητηριακή διέγερση είναι απαραίτητο για τον ύπνο και θέλουμε να κατανοήσουμε πώς χτίζεται αυτό το φράγμα γύρω από τον εγκέφαλο. Ο ύπνος είναι μια ενιαία κατάσταση, αλλά φαίνεται να έχει πολλαπλές συνιστώσες που ρυθμίζονται μέσω ξεχωριστών μηχανισμών. Θέλουμε να κατανοήσουμε αυτούς τους μηχανισμούς.
HMNews: Πώς έχει αλλάξει η έρευνά σας τον τρόπο με τον οποίο σκέφτεστε για τον ύπνο;
Rogulja: Για μεγάλο χρονικό διάστημα, οι επιστήμονες καθοδηγούνταν από την αρχή ότι ο ύπνος είναι του εγκεφάλου, από τον εγκέφαλο και για τον εγκέφαλο. Ως αποτέλεσμα, η έρευνα έχει επικεντρωθεί σε μεγάλο βαθμό στον εγκέφαλο όσον αφορά την αναζήτηση των λόγων για τους οποίους ο ύπνος είναι απαραίτητος για την επιβίωση. Ωστόσο, τώρα συνειδητοποιούμε ότι ενώ ο ύπνος μπορεί να είναι για τον εγκέφαλο, δεν είναι μόνο για τον εγκέφαλο. Ο ύπνος είναι μια εξαιρετικά παλιά συμπεριφορά που πιστεύουμε ότι προέρχεται από τα πρώτα ζώα. Αυτά τα ζώα δεν είχαν εγκέφαλο- είχαν μόνο ένα πολύ απλό νευρικό σύστημα.
Στη συνέχεια, καθώς τα ζώα έγιναν πιο πολύπλοκα, εξελίχθηκαν αυτοί οι σχετιζόμενοι με τον εγκέφαλο σκοποί του ύπνου. Ωστόσο, οι ερευνητές εξέτασαν τους εγκεφάλους των ζώων που στερούνται ύπνου για να προσπαθήσουν να βρουν έναν λόγο για τον οποίο πεθαίνουν, και δεν βρήκαν τίποτα. Από την άλλη πλευρά, τα κλινικά δεδομένα δείχνουν ότι η στέρηση ύπνου στους ανθρώπους οδηγεί σε κάθε είδους ασθένειες στο σώμα. Για εμάς, αυτό υποδηλώνει πραγματικά ότι ο ύπνος δεν αφορά μόνο τον εγκέφαλο.
Η έρευνά μας μας λέει ότι πρέπει να σταματήσουμε να σκεφτόμαστε τον εγκέφαλο ξεχωριστά από το σώμα όταν πρόκειται για τον ύπνο. Εξακολουθώ να σοκάρομαι από τον βαθμό στον οποίο οι νευροεπιστήμονες τείνουν να σκέφτονται τον εγκέφαλο ως κάτι ανώτερο από το σώμα και ως την κορυφή μιας ιεραρχίας. Για να λύσουμε τα μεγαλύτερα μυστήρια της νευροεπιστήμης, πρέπει να ακολουθήσουμε μια πιο ολοκληρωμένη προσέγγιση, κάτι που προσπαθεί να κάνει το εργαστήριό μου για τον ύπνο.
Διαπιστώσαμε ότι πρέπει πραγματικά να σκεφτούμε ολόκληρο το σώμα για να κατανοήσουμε τον ύπνο. Και είναι λογικό. Όταν πέφτετε για ύπνο, οι μύες σας χαλαρώνουν και η κυκλοφορία σας αλλάζει. Φυσικά, πρόκειται για ολόκληρο το σώμα.
HMNews: Τι εργαλεία χρησιμοποιείτε για τη μελέτη του ύπνου;
Rogulja: Ιστορικά, πολλές έρευνες για τον ύπνο έχουν γίνει σε ανθρώπους, αλλά αυτά τα πειράματα τείνουν να είναι περιορισμένα και περιγραφικά, επειδή δεν μπορείς πραγματικά να κάνεις πειράματα σε ανθρώπους. Ωστόσο, τις τελευταίες δυόμισι δεκαετίες, οι επιστήμονες συνειδητοποίησαν ότι οι φρουτόμυγες κοιμούνται- και πιο πρόσφατα, καταλάβαμε ότι τα γονίδια που ρυθμίζουν τον ύπνο στις μύγες διατηρούνται στα ποντίκια.
Όταν ξεκίνησα το εργαστήριό μου, χρησιμοποιούσαμε μόνο τις φρουτόμυγες ως πρότυπο σύστημα για τη μελέτη του ύπνου, αλλά έκτοτε καταφέραμε να δημιουργήσουμε και ένα μοντέλο ποντικού. Οι μύγες φρούτων μας επιτρέπουν να δοκιμάζουμε πολλές υποθέσεις γρήγορα και να κάνουμε μεγάλες, αμερόληπτες γενετικές διαλογές και στη συνέχεια μπορούμε να δοκιμάζουμε ό,τι ανακαλύπτουμε στις μύγες σε ποντίκια, τα οποία, ως θηλαστικά, είναι πιο παρόμοια με τους ανθρώπους.
HMNews: Στην εργασία σας Cell 2020, αντιμετωπίσατε το ερώτημα γιατί ο ύπνος είναι απαραίτητος για την επιβίωση. Ποια είναι η απάντηση;
Διαπιστώσαμε ότι οι φρουτόμυγες που κοιμόντουσαν λιγότερο είχαν μικρότερη διάρκεια ζωής: Είδαμε μια συσχέτιση όπου όσο περισσότερο ύπνο έχαναν οι μύγες, τόσο πιο γρήγορα πέθαιναν. Είναι ενδιαφέρον ότι ο τρόπος στέρησης του ύπνου δεν είχε σημασία. Αυτό που είχε σημασία ήταν η ποσότητα του χαμένου ύπνου. Φαινόταν να υπάρχει ένα σημείο καμπής όπου η απώλεια ύπνου σχετιζόταν με το θάνατο, γεγονός που μας είπε ότι μπορεί να συμβαίνει κάτι συγκεκριμένο στο σώμα σε αντίθεση με τη γενική φθορά.
HMNews: Cell, αντιμετωπίσατε το ερώτημα γιατί ο ύπνος είναι απαραίτητος για την επιβίωση. Ποια είναι η απάντηση;
Διαπιστώσαμε ότι οι φρουτόμυγες που κοιμόντουσαν λιγότερο είχαν μικρότερη διάρκεια ζωής: Είδαμε μια συσχέτιση όπου όσο περισσότερο ύπνο έχαναν οι μύγες, τόσο πιο γρήγορα πέθαιναν. Είναι ενδιαφέρον ότι ο τρόπος στέρησης του ύπνου δεν είχε σημασία. Αυτό που είχε σημασία ήταν η ποσότητα του χαμένου ύπνου. Φαινόταν να υπάρχει ένα σημείο καμπής όπου η απώλεια ύπνου σχετιζόταν με το θάνατο, γεγονός που μας είπε ότι μπορεί να συμβαίνει κάτι συγκεκριμένο στο σώμα σε αντίθεση με τη γενική φθορά.
Για να το διερευνήσουμε περαιτέρω, βάψαμε διάφορα όργανα σε μύγες με έλλειψη ύπνου με δείκτες κυτταρικής βλάβης. Διαπιστώσαμε ότι στο έντερο υπήρχε αύξηση των οξειδωτικών μορίων και η αιχμή της οξείδωσης συσχετιζόταν με το σημείο καμπής όπου οι μύγες άρχισαν να πεθαίνουν. Επιβεβαιώσαμε αυτό το εύρημα σε ποντίκια που στερούνταν ύπνου. Αλλά όταν δώσαμε σε μύγες που στερούνταν ύπνου αντιοξειδωτικά ή ενεργοποιήσαμε γονίδια που παράγουν αντιοξειδωτικά στο έντερο, διαπιστώσαμε ότι οι μύγες μπορούσαν να επιβιώσουν με λίγο ή καθόλου ύπνο, γεγονός που υποδηλώνει ότι το έντερο είναι ένας πραγματικά σημαντικός στόχος του ύπνου.
HMNews: Υπάρχουν πιθανές εφαρμογές για τον άνθρωπο;
Τα ευρήματά μας υποδηλώνουν ότι αν μπορούμε να αποτρέψουμε την οξείδωση στο έντερο, ίσως μπορέσουμε να εξουδετερώσουμε την επίδραση της απώλειας ύπνου. Αυτό είναι σημαντικό επειδή πολλές ασθένειες συνδέονται με τη δυσλειτουργία του εντέρου και πολλές ασθένειες που εμφανίζονται όταν δεν κοιμάστε αρκετά μπορεί στην πραγματικότητα να είναι συνέπεια της βλάβης του εντέρου. Τώρα αρχίζουμε να σκεφτόμαστε πώς μπορούμε να διαγνώσουμε την οξείδωση του εντέρου λόγω της έλλειψης ύπνου στους ανθρώπους. Θέλουμε να σχεδιάσουμε “καταπιώμενα” – χάπια ή ταμπλέτες που θα μπορούσατε να καταπιείτε και τα οποία θα αναφέρουν την οξειδωτική κατάσταση του εντέρου σας, αλλάζοντας, για παράδειγμα, το χρώμα των κοπράνων σας.
Ψάχνουμε επίσης για βιοδείκτες: μόρια που κυκλοφορούν ήδη στο σώμα και υποδεικνύουν την έλλειψη ύπνου και την οξείδωση του εντέρου. Έχω γιατρούς στο εργαστήριό μου οι οποίοι σκιαγραφούν προφίλ ποντικιών με έλλειψη ύπνου για να αναζητήσουν τέτοιους βιοδείκτες. Έχουμε ήδη κάποια μόρια που είναι υποσχόμενοι δείκτες για την οξείδωση και φαίνεται να μειώνονται με αντιοξειδωτικές θεραπείες. Τελικά, μπορεί να είναι δυνατόν να σχεδιάσουμε συμπληρώματα που θα μπορούν να λαμβάνονται από το στόμα για την αντιστροφή της οξείδωσης του εντέρου λόγω της έλλειψης ύπνου.
HMNews: Μόλις δημοσιεύσατε μια νέα εργασία στο Cell που διερευνά τον τρόπο με τον οποίο ο εγκέφαλος αποσυνδέεται από το περιβάλλον κατά τη διάρκεια του ύπνου. Πείτε μας περισσότερα.
Μέχρι τώρα, δεν γνωρίζαμε σχεδόν τίποτα γι’ αυτό. Δεν ήταν σαφές αν υπάρχει ένα μόνο σημείο στον εγκέφαλο όπου όλες οι αισθητηριακές πληροφορίες εξασθενούν κατά τη διάρκεια του ύπνου ή αν υπάρχουν πολλαπλά τέτοια σημεία. Για παράδειγμα, η αφή και η θερμοκρασία επεξεργάζονται με τον ίδιο τρόπο κατά τη διάρκεια του ύπνου; Η Ίρις Τίτος, μεταδιδακτορική ερευνήτρια στο εργαστήριό μου, κατασκεύασε ένα σύστημα που μπορεί να παρέχει ήπια, μεσαία ή υψηλά επίπεδα δόνησης σε φρουτόμυγες.
Συνήθως, όταν χρησιμοποιείτε χαμηλής έντασης δονήσεις, πολύ λίγες μύγες ξυπνούν, ενώ όταν χρησιμοποιείτε υψηλής έντασης δονήσεις, σχεδόν όλες οι μύγες αντιδρούν. Στη συνέχεια, κάναμε μια μεγάλης κλίμακας διαλογή για να εντοπίσουμε γονίδια που ελέγχουν πόσο εύκολα ξυπνούν οι μύγες – δηλαδή γονίδια που κάνουν τις μύγες να ξυπνούν εξαιρετικά εύκολα και γονίδια που επιτρέπουν στις μύγες να κοιμούνται ουσιαστικά κατά τη διάρκεια ενός σεισμού.
HMNews: Τι έδειξε η γενετική εξέταση;
Τα αποτελέσματα της εξέτασης ήταν πολύ ενδιαφέροντα. Εντοπίσαμε ένα γονίδιο που κωδικοποιεί ένα μόριο που ονομάζεται CCHa1. Όταν εξαντλήσαμε το CCHa1 στις μύγες, αυτές ξυπνούσαν πολύ εύκολα – έτσι, αντί να ξυπνάει το 20% σε ένα συγκεκριμένο επίπεδο δόνησης, ξυπνούσε το 90%.
Ωστόσο, ενώ το CCHa1 υπάρχει τόσο στο νευρικό σύστημα όσο και στο έντερο, μόνο όταν το εξαντλήσαμε στο έντερο οι μύγες ξυπνούσαν πιο εύκολα. Τα κύτταρα στο έντερο που παράγουν το CCHa1 ονομάζονται εντεροενδοκρινικά κύτταρα και στην πραγματικότητα μοιράζονται πολλά χαρακτηριστικά με τους νευρώνες και μπορούν ακόμη και να συνδεθούν και να επικοινωνήσουν με τους νευρώνες. Τα κύτταρα αυτά βλέπουν προς το εσωτερικό του εντέρου και κατά κάποιον τρόπο “γεύονται” το περιεχόμενο του εντέρου.
Διαπιστώσαμε ότι όσο υψηλότερη ήταν η συγκέντρωση πρωτεΐνης στη διατροφή, τόσο περισσότερο CCHa1 παρήγαγαν αυτά τα κύτταρα του εντέρου. Αυτό το μόριο στη συνέχεια ταξιδεύει από το έντερο στον εγκέφαλο, όπου στέλνει σήματα σε μια μικρή ομάδα ντοπαμινεργικών νευρώνων που λαμβάνουν επίσης πληροφορίες για τις δονήσεις.
Αυτοί οι νευρώνες παράγουν ντοπαμίνη, η οποία συνήθως προάγει τη διέγερση, αλλά σε αυτή την περίπτωση, καταστέλλει τη διέγερση. Οι δονήσεις αποδυναμώνουν τη δραστηριότητα των ντοπαμινεργικών νευρώνων, γεγονός που κάνει τις μύγες να ξυπνούν πιο εύκολα. Η CCHa1 που παράγεται από το έντερο ουσιαστικά αντισταθμίζει τους ντοπαμινεργικούς νευρώνες έναντι των δονήσεων, επιτρέποντας στις μύγες να αγνοούν σε μεγαλύτερο βαθμό το περιβάλλον και να κοιμούνται βαθύτερα.
Διαπιστώσαμε επίσης ότι το μονοπάτι CCHa1, ενώ είναι κρίσιμο για την πύκνωση των μηχανοαισθητικών πληροφοριών, δεν επηρεάζει το πόσο εύκολα οι μύγες ξυπνούν όταν εκτίθενται στη θερμότητα, γεγονός που υποδηλώνει ότι διαφορετικές αισθητηριακές λειτουργίες, όπως η δόνηση και η θερμοκρασία, μπορούν να πύκνωση ανεξάρτητα. Τέλος, δείξαμε ότι μια δίαιτα με υψηλότερη περιεκτικότητα σε πρωτεΐνες βελτίωσε επίσης την ποιότητα του ύπνου στα ποντίκια, καθιστώντας τα πιο ανθεκτικά στις μηχανικές διαταραχές. Τώρα εξετάζουμε αν ένα παρόμοιο σηματοδοτικό μονοπάτι εμπλέκεται στα ποντίκια.