Учёные выяснили, как глубокий сон помогает наращивать мышцы, сжигать жир и улучшать работу мозга

Во время сна мозг запускает механизм, который помогает организму наращивать мышцы, укреплять кости и регулировать расход жира. Ключевую роль в этом процессе играет гормон роста, выделяющийся особенно активно во время глубокого сна. Теперь учёные из Калифорнийского университета в Беркли выяснили, какие именно нервные клетки управляют его выработкой, и обнаружили неожиданную особенность: гормон роста не только зависит от сна, но и сам влияет на пробуждение.

Результаты исследования, опубликованного в журнале Cell, помогают объяснить, почему недостаток сна способен нарушать обмен веществ и мешать восстановлению организма. В перспективе открытие может стать основой новых методов лечения нарушений сна, связанных с диабетом, болезнями Паркинсона и Альцгеймера.

Гормон роста обычно связывают с развитием детей и подростков. Именно в подростковом возрасте полноценный сон особенно важен, поскольку этот гормон играет значительную роль в достижении генетически обусловленного потенциала роста.

Однако его функции не ограничиваются детством. У взрослых гормон роста участвует в поддержании мышечной и костной ткани, регулирует использование жировых запасов и влияет на уровень сахара в крови.

При хроническом недосыпании регуляция выработки гормона роста может нарушаться. Поскольку он участвует в обмене глюкозы и жиров, недостаток сна способен способствовать повышению риска ожирения, диабета и сердечно-сосудистых заболеваний.

Связь между сном и гормоном роста была известна давно. Однако до сих пор учёные изучали её преимущественно косвенно — брали образцы крови во время сна и измеряли концентрацию гормона. Какие именно нейроны управляют этим процессом и как меняется их активность на разных стадиях сна, оставалось неясным.

Чтобы разобраться в механизме, исследователи сосредоточились на гипоталамусе — небольшой области в глубине мозга, которая регулирует голод, температуру тела, выработку гормонов и чередование сна и бодрствования. Основные функции этой структуры сохранились у млекопитающих в ходе эволюции.

Особое внимание учёные уделили нейронам, вырабатывающим два вещества с противоположными функциями. Первое — соматолиберин, стимулирующий выделение гормона роста. Второе — соматостатин, который, наоборот, подавляет его секрецию.

Оба вещества участвуют в управлении гипофизом — небольшой железой у основания мозга, через которую гормон роста поступает в кровь.

Исследование проводилось в лаборатории профессора нейробиологии Ян Дань. Учёные имплантировали мышам электроды для регистрации активности мозга и использовали световую стимуляцию отдельных групп нейронов гипоталамуса. Это позволяло наблюдать, как разные элементы нервной системы взаимодействуют во время сна и пробуждения.

Мыши оказались удобной моделью благодаря особенностям своего сна. В отличие от людей, которые обычно спят продолжительный период ночью, эти животные засыпают множество раз в течение суток, причём отдельные эпизоды сна длятся всего несколько минут.

Благодаря этому исследователи могли многократно наблюдать переходы между сном и бодрствованием и отслеживать связанные с ними изменения активности нейронов.

Выяснилось, что мозг использует разные механизмы для стимуляции гормона роста в зависимости от стадии сна.

Во время фазы быстрого сна, которую часто связывают с яркими сновидениями, повышается активность нейронных систем, связанных как с соматолиберином, так и с соматостатином. Хотя эти вещества обычно действуют противоположным образом, особенности их совместной активности в этой фазе способствуют усилению выделения гормона роста.

Во время медленного сна картина меняется. Активность соматостатиновых нейронов снижается, ослабляя тормозящее воздействие на секрецию гормона, тогда как активность нейронов, вырабатывающих соматолиберин, умеренно повышается.

В результате выделение гормона роста усиливается и в этой фазе, но уже благодаря другому сочетанию нервных сигналов.

Таким образом, исследователи впервые подробно описали, как различные стадии сна обеспечивают выработку одного и того же гормона через разные механизмы регуляции.

Однако самое неожиданное открытие касалось обратного влияния гормона роста на мозг.

Учёные обнаружили, что по мере накопления гормона роста во время сна он начинает воздействовать на нейроны голубого пятна — области ствола мозга, которая участвует в поддержании бодрствования, внимания, мышления и стремления исследовать окружающую среду.

Повышение активности этих нейронов способствует переходу от сна к пробуждению. Получается своеобразная система обратной связи: сон стимулирует выделение гормона роста, а сам гормон постепенно активирует мозговые структуры, помогающие человеку проснуться.

При этом работа голубого пятна оказалась сложнее, чем можно было ожидать. Обычно повышение активности этой области усиливает бодрствование. Однако чрезмерная стимуляция её нейронов способна давать противоположный результат.

В другом исследовании, опубликованном в том же году, один из авторов работы Дэниел Сильверман показал, что чрезмерное возбуждение нейронов голубого пятна может парадоксальным образом вызывать сонливость, а не бодрствование.

Это означает, что мозг должен поддерживать довольно тонкий баланс между несколькими противодействующими механизмами. Недостаток сна уменьшает выделение гормона роста, но и чрезмерное воздействие самого гормона способно сдвигать систему в сторону пробуждения.

Такой принцип саморегуляции называется гомеостазом — способностью организма поддерживать относительно стабильные внутренние условия при изменении внешней среды и физиологических потребностей.

«Наши результаты показывают, что сон и гормон роста образуют тонко сбалансированную систему. Недостаток сна снижает выделение гормона роста, а его избыток, в свою очередь, может подталкивать мозг к пробуждению», — объяснил Сильверман.

По его словам, поддержание этого равновесия необходимо для нормального роста, восстановления тканей и здорового обмена веществ.

Открытие также указывает на возможную связь гормона роста с когнитивными функциями. Поскольку голубое пятно участвует в регуляции внимания, бодрствования и мышления, воздействие гормона на эту область может влиять на работу мозга после пробуждения.

«Гормон роста не только помогает формировать мышцы и кости и уменьшать жировую ткань. Он также может приносить пользу когнитивным функциям, повышая общий уровень бодрствования после сна», — отметила первый автор исследования Синьлу Дин.

Таким образом, нормальная регуляция гормона роста потенциально важна не только для физического восстановления, но и для умственной работоспособности.

Исследователи считают, что обнаруженные нейронные цепи могут стать новыми мишенями для терапии. В частности, воздействие на определённые группы нервных клеток теоретически позволит корректировать нарушения выработки гормона роста или чрезмерную возбудимость голубого пятна.

Дэниел Сильверман отметил, что уже существуют экспериментальные подходы генной терапии, направленные на конкретные типы клеток. Выявленная нервная цепь открывает возможность изучить способы снижения возбудимости голубого пятна, которые ранее не рассматривались в таком контексте.

В перспективе подобные методы могут оказаться полезными при нарушениях сна, сопровождающих метаболические заболевания, включая диабет, а также некоторые неврологические болезни, в том числе болезни Паркинсона и Альцгеймера.

Однако пока речь идёт о фундаментальном исследовании, проведённом на мышах. Учёным ещё предстоит выяснить, насколько точно обнаруженные механизмы работают у человека и можно ли безопасно воздействовать на них с помощью лекарств или других методов лечения.

Главный результат работы заключается в том, что сон и выделение гормона роста оказались частями единой системы взаимной регуляции. Мозг не просто запускает восстановительные процессы во время отдыха, но и получает от гормональной системы сигналы, влияющие на продолжительность сна и момент пробуждения.

Это открытие помогает понять, почему полноценный сон так тесно связан с ростом, восстановлением тканей, обменом веществ и работой мозга. Даже во время отдыха нервная и гормональная системы продолжают активно взаимодействовать, поддерживая баланс, необходимый для нормального функционирования организма.