Нейрони, які безпосередньо дають сигнал заснути або прокинутися, слухаються нейромедіатора дофаміну - високий рівень дофаміну в мозку пригнічує всякі сонні сигнали.
Сон і біологічний годинник пов'язані між собою дуже тісно, так що легко сплутати одне з іншим. Однак сон - лише один з проявів циркадного (тобто добового) ритму: при зміні дня і ночі у нас змінюється гормональний фон, змінюється активність генів, і, серед іншого, ми відчуваємо сонливість або, навпаки, прокидаємося.
Вважається, що добове чергування сну і бадьорювання пов'язане з гормоном мелатоніном: залежно від часу доби його концентрація або зростає (до вечора), або падає (до ранку), і ми слідом за цими коливаннями засинаємо і прокидаємося.
Водночас відомо, що підвищення рівня мелатоніну не обов'язково викликає сон, швидше, він допомагає сну наступити, працюючи як заспокійливе і пригнічуючи нашу реакцію на навколишні стимули. З іншого боку, людина може заснути і вдень, коли по біологічному годиннику спати не годиться.
Хоча зараз вже багато відомо про те, як поводиться мозок під час сну і з яких нейронних ланцюжків починає поширюватися сонний сигнал, регуляція циклу сон-бадьорювання досі не цілком зрозуміла: образно кажучи, хто безпосередньо «дергає за рубильник»?
Вважається, що крім системи добового ритму, у нас є ще так званий сонний гомеостат. Під гомеостатом розуміють самоорганізовану систему, що моделює здатність живих організмів підтримувати деякі величини (наприклад, температури тіла) у фізіологічно допустимих межах.
Багатьом знайоме слово «гомеостаз» - саморегуляція, призначення якої в тому, щоб якісь параметри залишалися постійними; так ось, гомеостат - це безпосередній виконавець гомеостазу. Гомеостат можна зробити у вигляді електромагнітного ланцюга, але в живих організмах він, зрозуміло, зібраний з нейронів, гормонів, інших молекулярних сигналів тощо.
Суть сонного гомеостата в тому, щоб відстежувати якийсь показник сну і бадьорювання: як тільки показник дійде до певного порогу, «пристрій» спрацює, і індивідуум засне. Уві сні згаданий показник повернеться на вихідну позицію, і «пристрій» спрацює на пробудження.
Сонним гомеостатом у мозку працюють особливі нейрони, які є у багатьох тварин і з великою ймовірністю є і у людини. В дослідах на мухах дрозофілах вдалося з'ясувати, що якщо ці нейрони простимулювати, то комахи впадають в сон, і під час сну нейрони гомеостата залишаються активними. Під час пильнування ті ж нейрони «мовчать», і якщо штучно зробити їх нечутливими до якихось подразниками, у дрозофіл почнеться безсоння.
Нові експерименти, проведені Геро Мізенбоком (Gero Miesenbock) і його колегами з Оксфорда, доповнюють картину роботи нейронів, що включають і вимикають сон. За допомогою оптогенетичних методів (Мізенбок, до речі, є одним із співавторів найвідомішої нині оптогенетики) вони встановили, що сонний гомеостат підпорядковується дофаміновому контролю: якщо простимулювати в мозку дрозофіли нейрони, що виділяють дофамін, то сонна система буде перебувати в бадьорому стані - її нейрони будуть неактивні. Якщо ж рівень дофаміну впаде, сонні нейрони включаться і муха засне; очевидно, сон триває, поки вони працюють.
На клітинно-молекулярному рівні тут відбувається наступне: за дофаміновим сигналом в мембрану клітин вбудовуються спеціальні білки, що утворюють додатковий іонний канал, через який починають «протікати» іони, вирівнюючи власну концентрацію по обидва боки мембрани.
У нейронній мембрані є інші іонні канали, які, активно перекачуючи іони всередину і ззовні клітини, якраз створюють різність потенціалів, тим самим роблячи нейрон активним. Але з появою нового каналу їхні зусилля зводяться нанівець - те, що відбувається, можна в якомусь сенсі порівняти з коротким замиканням в електричній мережі, після якого пристрій перестає працювати. Повністю результати досліджень опубліковані в Nature.
У сонного перемикача є тільки два положення, «вкл». і «викл»., що зрозуміло - і дрозофіли, і ми може або спати, або не спати, а проміжний стан засипання, дреми не може тривати хоч скільки-небудь довго. (Хоча, очевидно, система сонного гомеостату повинна працювати у співпраці з іншими контролерами сну, зокрема, з тими ж циркадними ритмами.)
Те, що сонні нейрони слухаються дофамінових сигналів, допомагає зрозуміти, чому багато психостимуляторів, як дозволені, так і нелегальні, на зразок кокаїну, проганяють сон - вони просто сильно підвищують рівень цього нейромедіатора в мозку. Але, якщо відволіктися від стимуляторів, то перед нами виникає наступне питання: як в нормі відбувається перемикання сонних нейронів? На який параметр реагують гомеостатні нейрони, перш ніж заснути або прокинутися?
Очевидно, дофамін тут служить тільки «посланцем», а в якості головного сигналу може бути або світло, або гучний звук (або відсутність того і іншого), або ж загальна втома, які якимось чином перетворюються на зрозумілу для сонних нейронів команду.