Onze huidige kennis van slaap is voornamelijk gebaseerd op gedragsstudies. Met elektro-encefalogram (EEG)-studies hebben onderzoekers onderscheid kunnen maken tussen verschillende slaapfasen in de hersenen van zoogdieren, maar ze zijn er niet in geslaagd om slaap op cellulair niveau te definiëren. Het team van Prof. Sha Liu heeft hier verandering in gebracht door naar genexpressie in de hersenen van fruitvliegjes te kijken. De sleutel ligt in de ontdekking van gliacellen.

We brengen ongeveer een derde van ons leven slapend door, maar wetenschappers begrijpen nog steeds niet volledig hoe slaap werkt en waarom het zo belangrijk is. In hun recent onderzoek, gepubliceerd in Nature Neuroscience, hebben wetenschappers onder leiding van Prof. Sha Liu aan het VIB-KU Leuven Centrum voor Hersenonderzoek gebruikgemaakt van single-cell technologie om slaap op het kleinst mogelijke niveau te begrijpen, namelijk de expressie van individuele genen.

Hun ontdekkingen banen de weg naar het ontrafelen van de onderliggende biologische mechanismen van slaap.

Net zoals genoeg water drinken en voedzaam eten, is een goede nachtrust essentieel voor een gezond en goed functionerend lichaam en geest. Ondanks het duidelijke belang van slaap begrijpen wetenschappers nog steeds niet volledig hoe het werkt en waarom het zo essentieel is.

Genexpressie en gliacellen
Fruitvliegjes lijken meer op mensen dan hun uiterlijk doet vermoeden. Van de ongeveer 14.000 eiwitcoderende genen in het genoom van de fruitvlieg hebben ongeveer twee derde een tegenhanger bij de mens.

Single-cell genomics stelt ons nu in staat om de expressie van die genen in detail te bekijken – in duizenden cellen! Met behulp van deze technologie heeft het team van Prof. Sha Liu enkele cruciale aanwijzingen gevonden in het slaapverhaal. Ze volgden veranderingen in genexpressie in de hersenen van fruitvliegjes en benadrukten een mogelijke rol voor gliacellen, specifieke hersencellen waar we veel minder van weten dan van neuronen.

Gedurende de slaap-waakcyclus van de fruitvliegjes observeerden de wetenschappers dat de genexpressie in deze gliacellen verandert met zowel de slaapbehoefte (of vermoeidheid) als het circadiaans ritme van de vliegjes (de dag-nachtcyclus van lichaamsprocessen).

Twee krachten

"In brede zin zijn er twee krachten die bepalen wanneer en hoe dieren slapen: slaapbehoefte en de circadiaanse klok. We weten al dat deze bestaan, maar het is niet duidelijk hoe deze twee krachten met elkaar interageren of elkaar beïnvloeden," legt Professor Sha Liu uit.

"Wat we in ons onderzoek observeerden, suggereert dat gliacellen een belangrijke rol spelen in het integreren van deze twee krachten. We zagen dat gliacellen genen bevatten die correleren met slaapbehoefte en genen die verbonden zijn met het circadiaans ritme. We veronderstellen dat gliacellen mogelijk beide stukjes informatie integreren, wat dan tot slaapgedrag leidt."

Slaapgeheimen delen
Niet alleen delen we veel genen met de fruitvlieg, maar we hebben ook een gemeenschappelijke behoefte aan slaap. Slaap en de circadiaanse klok zijn evolutionair geconserveerd, wat betekent dat het een gedrag is dat wijdverspreid wordt waargenomen bij tal van soorten.

De moleculaire basis van de circadiaanse klok werd eigenlijk voor het eerst ontdekt in de fruitvlieg, onderzoek dat in 2017 een Nobelprijs won. Dit, samen met hun kleine formaat en de ongeëvenaarde genetische trucs die onderzoekers kunnen benutten, maakt deze kleine wezens ideaal voor het karakteriseren van de mechanismen van slaap.

De ontdekking van gliacellen door het team van Liu breidt nu het onderzoek naar slaap uit in dit modelorganisme.

"Ons werk is een enorme informatiebron voor onderzoekers die geïnteresseerd zijn in de mechanismen van slaap," legt Dr. Joana Dopp, eerste auteur van de studie, uit. "We hebben een enorme hoeveelheid genexpressieprofielen geanalyseerd en samengevoegd, die vrij beschikbaar zijn voor wetenschappers die slaap en circadiaanse ritmes bestuderen."

Door deze tool te ontwikkelen, kreeg het team nieuwe inzichten in vragen die het veld van slaaponderzoek al geruime tijd bezighielden. Met het gedetailleerde inzicht dat nieuwe genomische technologieën mogelijk maken, liggen er nog veel meer slaapgeheimen te wachten om ontdekt te worden.