Ученые обнаружили, что у осьминогов наблюдаются две различные стадии сна: спокойная и активная, напоминающая REM-сон у млекопитающих. Во время активной стадии сна осьминоги демонстрируют поведение и нейронную активность, сходные с бодрствующим состоянием, что может выполнять функцию, сходную со сновидениями у человека.
Как и люди, осьминоги переходят между двумя стадиями сна — спокойной и активной, напоминающей REM-сон у млекопитающих. Но может ли это означать, что осьминоги видят сны?
Когда осьминоги спят, их спокойные периоды дремоты сменяются короткими всплесками бешеной активности. Их руки и глаза подергиваются, дыхание учащается, а кожа вспыхивает яркими красками.
Теперь исследователи из Окинавского института науки и технологий (OIST) в сотрудничестве с Вашингтонским университетом внимательно изучили активность мозга и рисунок кожи осьминогов (Octopus laqueus) в этот активный период сна и обнаружили, что они очень похожи на нейронную активность и рисунок кожи, наблюдаемые в бодрствующем состоянии. Активность, похожая на бодрствование, возникает и во время быстрого сна (REM) у млекопитающих — фазы, в которой чаще всего снятся сны.
Во время спокойного сна octopus laqueus выглядит белым и неподвижным. Этот спокойный сон сменяется всплесками активности, похожими на бодрствование (активный сон), примерно каждый час. Credit: Keishu Asada (OIST)
Исследование, опубликованное 28 июня в журнале Nature, подчеркивает удивительное сходство между поведением во сне осьминогов и человека и позволяет получить интересные сведения о происхождении и функциях сна.
«Похоже, что все животные в той или иной форме демонстрируют сон, даже такие простые животные, как медузы и плодовые мушки. Но долгое время было известно, что только позвоночные животные циклически переходят от одной стадии сна к другой, — говорит старший автор работы, профессор Сэм Рейтер, возглавляющий группу вычислительной нейроэтологии в OIST.
Новые сведения о том, как спят осьминоги, были получены благодаря визиту в OIST доктора Линоя Мешулама, физика-статистика из Вашингтонского университета, который провел три месяца в качестве гостя программы OIST Theoretical Sciences Visiting Program.
«Тот факт, что двухстадийный сон независимо эволюционировал у таких далеких родственников, как осьминоги, которые имеют крупные, но совершенно отличные от позвоночных мозговые структуры, позволяет предположить, что наличие активной стадии, похожей на бодрствование, может быть общей чертой сложного познания», — сказал д-р Мешулам.
Осьминог вида Octopus laqueus меняет рисунок кожи во время активного сна. Credit: OIST
Для начала ученые проверили, действительно ли осьминоги спят в этот активный период. Они проверили, как осьминоги реагируют на физический раздражитель, и обнаружили, что как в спокойной, так и в активной стадии сна осьминогам требуется более сильная стимуляция, чем в бодрствующем состоянии. Команда также обнаружила, что если помешать осьминогам заснуть или нарушить их сон во время активной фазы сна, то впоследствии осьминоги впадали в активный сон быстрее и чаще.
«Такое компенсаторное поведение подтверждает, что активная стадия сна является важной стадией сна, необходимой осьминогам для нормального функционирования, — говорит Адити Попхале, соавтор исследования и аспирант OIST.
Исследователи также изучили активность мозга осьминогов во время бодрствования и сна. Во время спокойного сна ученые наблюдали характерные мозговые волны, которые очень напоминают формы волн, наблюдаемые во время сна без промедления в мозге млекопитающих, называемые сонными веретенами. Хотя точная функция этих волн неясна даже у человека, ученые полагают, что они способствуют закреплению воспоминаний. Используя новейший микроскоп, созданный соавтором работы доктором Томоюки Мано, исследователи установили, что эти сонные веретена возникают в областях мозга осьминогов, связанных с обучением и памятью, что позволяет предположить, что эти волны потенциально выполняют аналогичную функцию у человека.
Примерно раз в час осьминоги входили в активную фазу сна, длившуюся около минуты. Во время этой фазы активность мозга осьминогов очень близко напоминала активность мозга в бодрствующем состоянии, как и REM-сон у человека.
Исследовательская группа также провела съемку и анализ изменения кожного рисунка осьминогов во время бодрствования и сна в сверхвысоком разрешении 8K.
«Благодаря съемке с таким высоким разрешением мы можем увидеть, как ведет себя каждая отдельная пигментная клетка, создавая общий рисунок кожи», — сказал д-р Мешулам. «Это может помочь нам создать простые модели кожного рисунка, чтобы понять общие принципы поведения бодрствующих и спящих осьминогов».
Когда осьминоги бодрствуют, они управляют тысячами крошечных пигментных клеток в своей коже, создавая огромное количество различных кожных узоров. Они используют эти узоры для маскировки в различных условиях, а также для социальной активности и демонстрации угрозы, например, для отпугивания хищников и общения друг с другом. Ученые обнаружили, что во время активного сна осьминоги циклически меняют кожные узоры.
Сходство между состояниями активного сна и бодрствования может объясняться различными причинами, считают ученые. По одной из версий, осьминоги отрабатывают свои кожные узоры, чтобы улучшить маскировку в состоянии бодрствования, или просто сохраняют пигментные клетки.
Другая интригующая идея заключается в том, что осьминоги могут заново проживать и изучать опыт своего бодрствования, например, охоту или прятки от хищника, и активизировать кожный рисунок, связанный с этим опытом. Другими словами, они могут делать что-то похожее на сновидения.
«В этом смысле, если человек может словесно сообщить о том, какие сны ему снились, только после пробуждения, то у осьминогов рисунок кожи служит визуальным показателем активности мозга во время сна», — сказал профессор Райтер.
Он добавил: «В настоящее время мы не знаем, какое из этих объяснений может быть верным, если таковое вообще возможно. Мы очень заинтересованы в дальнейших исследованиях».
Ссылка: «Бодрствование и нейронная активность во время сна осьминогов» Адити Пофале, Казумичи Шимидзу, Томоюки Мано, Тереза Л. Иглесиас, Керри Мартин, Макото Хирои, Кейшу Асада, Полетт Гарсия Андалуз, Тхи Тху Ван Динь, Линой Мешулам и Сэм Рейтер, 28 июня 2023 г., Nature . DOI: 10.1038/s41586-023-06203-4
