У сплячих риб мозок переходить з одного стану в інший, що надзвичайно схоже на зміну швидкої і повільної фаз сну.
Наш сон складається з двох фаз, повільної і швидкої, які відрізняються за електричною активністю мозку і взагалі за фізіологічним станом організму. Швидкий сон називають ще REM-сон через швидкі рухи очей (REM - rapid eyes movements, фаза швидких рухів очей). Один сонний цикл включає в себе фазу повільного сну (яка ще й сама складається з декількох стадій), що змінюється швидким сном; за ніч таких циклів буває кілька.
Досить довго вважалося, що чергування швидкого і повільного сну є тільки у звірів і птахів. Але зовсім недавно вдалося з'ясувати, що двофазний сон є і у рептилій - принаймні, у бородатих агах. З іншого боку, ми знаємо, що в інших тварин - у мушок дрозофіл, круглих хробаків, риб, восьминогів - є періоди спокою, які дуже сильно схожі на сон. Але щоб точно побачити, як саме сплять всі ці створіння, потрібні були методи, що дозволяють певним чином вимірювати активність нейронів мозку.
Дослідники зі Стенфорда використовували один з таких методів, суть якого в тому, що після генетичної модифікації нервові і м'язові клітини починають синтезувати флуоресуючу молекулу. Ця молекула починає світитися, коли в клітці змінюється рівень кальцію; у свою чергу, рівень кальцію в нервових і м'язових клітинах різко змінюється, коли вони проявляють активність. Отже, за світністю клітин можна зрозуміти, коли вони активні і наскільки вони активні.
Нейрони і м'язи модифікували у личинок риби Danio rerio, які прозорі і тому у них легко побачити, що і як у них світиться. Потім личинок заколисували різними способами: або за допомогою особливих речовин, які стимулюють активність нервових клітин, властиву швидкому або повільному сну, або просто довгий час не даючи личинкам спати, або влаштовуючи їм занадто неспокійний день.
У всіх випадках результати були схожі - у риб'ячих дитинчат під час сну було дві фази. Одна нагадувала наш повільний сон: деякі нервові клітини мозку час від часу демонстрували короткі спалахи активності; одночасно м'язи риб розслаблялися, а серцевий ритм сповільнювався з 200 до 110-120 ударів на хвилину.
Інша фаза була схожа на швидкий сон: весь риб'ячий мозок ніби прокидався, по ньому прокатувалися хвилі активності, але м'язи залишалися розслаблені (як і у звірів у швидкому сні), а серцевий ритм в середньому сповільнювався ще сильніше і ставав нерегулярним (знову ж таки як у звірів).
Правда, очі у риб в швидкій фазі залишалися спокійними. Можливо, це пов'язано з тим, що мозкові емоційні центри у риб не дуже активні в порівнянні з тими ж ссавцями, і така мізерна емоційність робить швидкий сон більш спокійним. Автори роботи відзначають, що в цілому активність сплячого риб'ячого мозку, нехай ненабагато, але все ж відрізняється від активності мозку ссавців. Тому щодо риб краще поки не використовувати терміни «повільний сон» і «швидкий сон», які традиційно описують стан сплячого мозку звірів і птахів.
Дослідники також змогли побачити, з чого починається швидка фаза сну біля риб. У статті в Nature йдеться, що коли в шлуночках мозку (особливих внутрішньомозкових порожнинах зі спинномозковою рідиною) підвищувався рівень меланін-концентруючого гормону, то у клітин, який вистилають порожнину мозкових шлуночків, починали частіше битися реснички на клітинній мембрані.
Меланін-концентруючий гормон відомий як регулятор сну; очевидно, клітини відчували гормональний сигнал і якимось чином передавали його всьому іншому мозку. Втім, залишається поки неясним, як саме ці клітини сигналізують іншим нейронам, що пора переходити до іншої фази сну. Схожі клітини є і в нашому мозку, але наживо за ними ще жодного разу не спостерігали. Можливо, завдяки рибам ми дізнаємося дещо нове і про наш сон.
Такий складний феномен, як багатофазний сон, навряд чи міг вийти в ході конвергентного розвитку, коли якась ознака виникає незалежно в різних групах організмів. Так що, швидше за все, умовно швидким і умовно повільним сном спали вже загальні предки риб і наземних ссавців, що мешкали на землі близько 450 млн років тому.