Кинематика движений глаз выявляет новую циркадную организацию подстадий сна

Почему важны глаза крошечных рыбок для нашего понимания сна

Сон может казаться полным отключением, но внутри мозга он разворачивается через серию скрытых стадий. У млекопитающих некоторые из этих стадий определяется по тому, как наши глаза дергаются под закрытыми веками. До сих пор ученые не были уверены, существует ли такая богатая структура сна у немлекопитающих, например у рыб. В этом исследовании использованы высокоразрешающие записи личинок зебрафиша, которые показывают, что их глаза тоже рассказывают удивительно сложную историю о сне — организованную вокруг суточного цикла и отражающую черты человеческого сна.

Наблюдение за рыбками круглосуточно

Исследователи создали систему визуализации, способную отслеживать до 20 крошечных личинок зебрафиша одновременно и непрерывно в течение нескольких дней. Установка следует за каждой свободноплавающей рыбкой в неглубокой круглой чашке, измеряя и скорость плавания, и движения глаз. Периоды, когда рыбка почти не двигается в течение как минимум минуты, считаются «сном» по принятым критериям для зебрафиша, поскольку животные в этот момент хуже пробуждаются. В пределах этих тихих периодов команда анализировала, как часто глаза совершали быстрые скоординированные скачки, как долго они делали паузы между скачками и насколько плавно приходили в покой. Это позволило классифицировать каждую минуту сна в отдельные категории, опираясь исключительно на поведение глаз.

Четыре варианта сна у рыб

Из огромного набора данных выделились четыре чётко разделённые подстадии сна. Три из них включали движения глаз (обозначенные QEM-1, QEM-2 и QEM-3), а одна не показывала никаких движений глаз (QNEM). QEM-1 характеризовалась частыми, регулярными глазными скачками с короткими и устойчивыми паузами, тогда как QEM-2 и QEM-3 демонстрировали реже и более нерегулярные движения с разными шаблонами замедления и фиксации. Существенно, все четыре подстадии были настоящим сном: в каждой из них рыбки реже реагировали испугом на яркие вспышки или механические постукивания, чем в бодрствующем состоянии. Одна подстадия, QEM-1, также показывала частичную потерю позы тела, компенсаторный прирост сна после лишения и общее снижение активности в ключевом центре бодрствования мозга, что подтверждает её как истинный режим сна с низкой возбудимостью.

Сон, подчинённый солнцу и свету

Эти четыре подстадии не распределялись случайно в течение суток. Вместо этого они следовали поразительно разным распорядкам, связанным как с внутренними биологическими часами, так и с внешним освещением. QNEM и QEM-3 доминировали ночью, обеспечивая глубокий, тихий сон. QEM-2 в основном также был ночным состоянием, но становился более частым к утру, что указывает на переход к бодрствованию. Удивительно, но QEM-1 появлялся почти исключительно днём и составлял основную часть дневного сна. Когда исследователи держали рыбок в постоянном свете или постоянной темноте, общее количество сна изменялось, но относительное расписание этих подстадий по-прежнему демонстрировало чёткие циркадные закономерности. Простая модель искусственной нейронной сети, получавшая на вход лишь время суток, уровень света и продолжительность пребывания рыбки в камере, смогла воспроизвести большинство наблюдаемых паттернов подстадий, что подразумевает: для управления системой достаточно нескольких ключевых сигналов.

Общая архитектура сна у рыб и внутри мозга

Новооткрытые подстадии сна не оказались прихотью одной лабораторной линии. Близкородственные виды Danio и несколько штаммов зебрафиша показали те же четыре подстадии и в целом схожую суточную организацию, с некоторыми видовыми вариациями. Углубляясь в мозг, авторы использовали калциевую съёмку всего мозга, чтобы наблюдать активность нейронов во время QEM-1. Большая часть мозга притупляла активность, включая норадренергический locus coeruleus — узел бодрствования. Тем не менее небольшой набор нейронов в конкретных областях ствола мозга увеличивал или уменьшал активность по надёжным шаблонам в ходе каждого эпизода QEM-1. При анализе активности большого числа нейронов одновременно выяснилось, что траектория мозга во время QEM-1 следует плавному, низкоразмерному пути настолько последовательно, что простой декодер мог оценить, насколько продлился эпизод QEM-1, опираясь только на нейронные сигналы.

Что это означает для понимания сна

Для непосвящённого наблюдателя отдыхающая личинка зебрафиша может выглядеть просто спящей или бодрствующей. Эта работа показывает, что под поверхностью её сон разделён на несколько консервативных стадий, различаемых по движениям глаз и строго распланированных циркадным временем и светом. Одна дневная подстадия, QEM-1, демонстрирует все признаки сна — от высокой порога пробуждения до гомеостатического восстановления и упорядоченной мозговой динамики — несмотря на то, что она происходит при ярком освещении, когда мы обычно ожидаем активности. В совокупности эти результаты свидетельствуют о том, что богато структурированный многоступенчатый сон не является уникальной чертой млекопитающих. Вероятно, это древняя особенность позвоночных мозгов, основанная на компактных схемах, координирующих движения глаз, позу, сенсорную реактивность и внутреннее хронометрирование.

Цитирование: Choudhary, V., Heller, C.R., Aimon, S. et al. Eye movement kinematics reveal novel circadian organization of sleep substates. Nat Commun 17, 4068 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-72222-0

Ключевые слова: сон цыплят-зебрафиш, циркадные ритмы, движения глаз, состояния мозга, нейронная динамика