ในการศึกษาใหม่ที่ตีพิมพ์ในวารสารMolecular Cellนักวิจัยจากมหาวิทยาลัย Bar-Ilan ของอิสราเอลได้ก้าวไปข้างหน้าเพื่อไขปริศนานี้ด้วยการค้นพบกลไกการนอนในปลาม้าลาย โดยมีหลักฐานสนับสนุนในหนู

การศึกษานี้นำโดย Prof. Lior Appelbaum จาก Bar-Ilan"s Goodman Faculty of Life Sciences และ Gonda (Goldschmied) Multidisciplinary Brain Research Center ร่วมกับ Dr. David Zada ​​นักวิจัยหลังปริญญาเอก

เมื่อเราตื่นขึ้น ความกดดันในการนอนแบบ homeostatic (ความเหน็ดเหนื่อยเมื่อยล้า) จะเพิ่มขึ้นในร่างกาย ความกดดันนี้จะเพิ่มขึ้นเมื่อเราตื่นนอนนานขึ้นและลดลงระหว่างการนอนหลับ โดยจะเข้าสู่ระดับต่ำหลังจากนอนหลับเต็มอิ่มและนอนหลับเต็มอิ่ม

อะไรเป็นสาเหตุให้ความดัน homeostatic เพิ่มขึ้นจนถึงขั้นที่เรารู้สึกว่าต้องเข้านอน และเกิดอะไรขึ้นตอนกลางคืนที่ลดความกดดันนี้จนถึงระดับที่เราพร้อมที่จะเริ่มต้นวันใหม่ ในช่วงเวลาที่ตื่นนอน ความเสียหายของ DNA จะสะสมอยู่ในเซลล์ประสาท ความเสียหายนี้อาจเกิดจากองค์ประกอบต่างๆ รวมถึงแสงยูวี กิจกรรมของเซลล์ประสาท การแผ่รังสี ความเครียดจากปฏิกิริยาออกซิเดชัน และข้อผิดพลาดของเอนไซม์ ในระหว่างการนอนหลับและตื่น การซ่อมแซมระบบภายในแต่ละเซลล์จะแก้ไข DNA ที่แตกสลายได้ อย่างไรก็ตาม ความเสียหายของ DNA ในเซลล์ประสาทยังคงสะสมอยู่ในระหว่างการตื่นตัว และความเสียหายของ DNA ที่มากเกินไปในสมองอาจถึงระดับอันตรายที่ต้องลดลง ผลการศึกษาพบว่าระบบซ่อมแซม DNA ที่รับสมัครคนนอนหลับช่วยส่งเสริมการซ่อมแซมอย่างมีประสิทธิภาพ เพื่อให้สามารถเริ่มต้นวันใหม่ได้

ในการทดลองหลายครั้ง นักวิจัยพยายามหาคำตอบว่าการสร้างความเสียหายของ DNA อาจเป็น "ตัวขับเคลื่อน" ที่กระตุ้นความดันในสภาวะสมดุลและสภาวะการนอนหลับที่ตามมาหรือไม่ การใช้การฉายรังสี เภสัชวิทยา และออพโตเจเนติกส์ พวกมันก่อให้เกิดความเสียหายของดีเอ็นเอในปลาม้าลายเพื่อตรวจสอบว่ามันส่งผลต่อการนอนหลับของพวกมันอย่างไร ด้วยความโปร่งใสอย่างแท้จริง การนอนหลับตอนกลางคืน และสมองที่เรียบง่ายที่คล้ายกับมนุษย์ ปลาม้าลายจึงเป็นสิ่งมีชีวิตที่สมบูรณ์แบบในการศึกษาปรากฏการณ์นี้

เมื่อความเสียหายของ DNA เพิ่มขึ้น ความจำเป็นในการนอนหลับก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน การทดลองชี้ให้เห็นว่าเมื่อถึงจุดหนึ่ง การสะสมของความเสียหายของ DNA ถึงเกณฑ์สูงสุด และเพิ่มแรงกดดันในการนอนหลับ (homeostatic) จนถึงระดับที่การกระตุ้นให้เกิดการนอนหลับและปลาก็เข้านอน การนอนหลับที่ตามมาช่วยอำนวยความสะดวกในการซ่อมแซม DNA ซึ่งส่งผลให้ความเสียหายของ DNA ลดลง

นอนกี่ชั่วโมงถึงจะพอ?

ไม่มีอะไรที่เหมือนกับการนอนหลับฝันดี หลังจากตรวจสอบแล้วว่าความเสียหายของ DNA สะสมเป็นแรงขับเคลื่อนกระบวนการนอนหลับ นักวิจัยก็กระตือรือร้นที่จะเรียนรู้ว่าเป็นไปได้หรือไม่ที่จะกำหนดเวลาขั้นต่ำที่ปลาม้าลายต้องนอนเพื่อลดความดันการนอนหลับและความเสียหายของ DNA เนื่องจากเช่นเดียวกับมนุษย์ ปลาม้าลายมีความไวต่อแสงรบกวน ช่วงเวลามืดจึงค่อย ๆ ลดลงในตอนกลางคืน หลังจากวัดความเสียหายของ DNA และการนอนหลับแล้ว พบว่าการนอนหลับเป็นเวลา 6 ชั่วโมงต่อคืนก็เพียงพอแล้วที่จะลดความเสียหายของ DNA น่าประหลาดใจที่หลังจากนอนน้อยกว่าหกชั่วโมง ความเสียหายของดีเอ็นเอไม่ได้ลดลงอย่างเพียงพอ และปลาม้าลายยังคงหลับต่อไปแม้ในเวลากลางวัน

PARP1 เป็น "เสาอากาศ" ที่สามารถส่งสัญญาณถึงเวลานอน

อะไรคือกลไกในสมองที่บอกเราว่าเราต้องนอนเพื่ออำนวยความสะดวกในการซ่อมแซม DNA อย่างมีประสิทธิภาพ? โปรตีน PARP1 ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของระบบซ่อมแซมความเสียหายของ DNA เป็นโปรตีนกลุ่มแรกที่ตอบสนองอย่างรวดเร็ว PARP1 ทำเครื่องหมายตำแหน่งความเสียหายของ DNA ในเซลล์ และคัดเลือกระบบที่เกี่ยวข้องทั้งหมดเพื่อกำจัดความเสียหายของ DNA ตามความเสียหายของ DNA การรวมกลุ่มของ PARP1 ในบริเวณที่มีการทำลาย DNA จะเพิ่มขึ้นระหว่างที่ตื่นตัวและลดลงระหว่างการนอนหลับ ด้วยการจัดการทางพันธุกรรมและทางเภสัชวิทยา การแสดงออกที่มากเกินไปและการล้มลงของ PARP1 เผยให้เห็นไม่เพียงแค่ว่า PARP1 ที่เพิ่มขึ้นส่งเสริมการนอนหลับเท่านั้น แต่ยังเพิ่มการซ่อมแซมขึ้นอยู่กับการนอนหลับอีกด้วย ในทางกลับกัน การยับยั้ง PARP1 ขัดขวางสัญญาณการซ่อมแซมความเสียหายของ DNA ส่งผลให้ปลาไม่รู้ตัวเต็มที่ว่าเหนื่อย ไม่นอน และไม่มีการซ่อมแซมความเสียหายของ DNA เกิดขึ้น

เพื่อเสริมสร้างการค้นพบในม้าลาย บทบาทของ PARP1 ในการควบคุมการนอนหลับได้รับการทดสอบเพิ่มเติมในหนูโดยใช้ EEG ร่วมกับ Prof. Yuval Nir จากมหาวิทยาลัยเทลอาวีฟ เช่นเดียวกับปลาม้าลาย การยับยั้งกิจกรรม PARP1 ช่วยลดระยะเวลาและคุณภาพของการนอนหลับที่ไม่เคลื่อนไหวอย่างรวดเร็ว (NREM) "เส้นทาง PARP1 สามารถส่งสัญญาณให้สมองทราบว่าจำเป็นต้องนอนหลับเพื่อให้การซ่อมแซม DNA เกิดขึ้น" Prof. Appelbaum กล่าว

ไขปริศนา

ในการศึกษาก่อนหน้านี้ Prof. Appelbaum และทีมงานใช้การถ่ายภาพแบบเหลื่อมเวลาแบบ 3 มิติเพื่อตรวจสอบว่าการนอนหลับนั้นเพิ่มการเปลี่ยนแปลงของโครโมโซม เพิ่มชิ้นส่วนปัจจุบันให้กับปริศนา PARP1 เพิ่มการนอนหลับและการเปลี่ยนแปลงของโครโมโซมซึ่งอำนวยความสะดวกในการซ่อมแซมความเสียหายของ DNA ที่สะสมในช่วงเวลาตื่นนอนอย่างมีประสิทธิภาพ กระบวนการบำรุงรักษา DNA อาจมีประสิทธิภาพไม่เพียงพอในระหว่างชั่วโมงที่ตื่นขึ้นในเซลล์ประสาท ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีระยะเวลาการนอนหลับแบบออฟไลน์โดยมีการป้อนข้อมูลไปยังสมองน้อยลงจึงจะเกิดขึ้น

การค้นพบล่าสุดเหล่านี้ให้คำอธิบายโดยละเอียดของ "ห่วงโซ่ของเหตุการณ์" ที่อธิบายการนอนหลับในระดับเซลล์เดียว กลไกนี้อาจอธิบายความเชื่อมโยงระหว่างความผิดปกติของการนอนหลับ ความชรา และความผิดปกติของระบบประสาท เช่น พาร์กินสันและอัลไซเมอร์ Prof. Appelbaum เชื่อว่าการวิจัยในอนาคตจะช่วยนำฟังก์ชันการนอนหลับนี้ไปใช้กับสัตว์อื่นๆ ตั้งแต่สัตว์ไม่มีกระดูกสันหลังส่วนล่างไปจนถึงมนุษย์ในที่สุด