Нейрофизиологические механизмы сна

Переход от бодрствования ко сну определяется, с одной стороны, сменой фаз эндогенного циркадного ритма, с другой — возникновением потребно­сти в отдыхе, возрастающей пропорционально продолжительности бодрст­вования. В связи с этим механизмы перехода ко сну включают активные внутренние процессы в центральной нервной системе и ее пассивные изме­нения, обусловленные интенсивной предыдущей деятельностью. В реали­зации этих механизмов участвуют несколько структур ствола мозга, регу­лирующих взаимодействие таламуса и коры в цикле сна—бодрствования и способных ритмически изменять свою активность, которая управляется гипоталамусом и одновременно зависит от нисходящего влияния коры и лимбической системы.

21.3.1. Участие стволовых центров в регуляции цикла сна—бодрствования

Нервные центры ствола, регулирующие цикл сна—бодрствования, по-раз­ному проявляют свою активность в обеих фазах этого цикла, что, однако, не позволяет их классифицировать в качестве специфических центров только сна или только бодрствования. Скорее это разные звенья единой системы, образованной несколькими ядрами ретикулярной формации, нейроны которых образуют восходящие и нисходящие дивергентные про­екции к различным структурам мозга, посредством которых ритмически изменяют их активность во время сна и бодрствования.

В ростральном отделе ретикулярной формации расположены небольшие группы нейронов, постоянно активирующие кору во время бодрствования и получившие название восходящей активирующей ретикулярной системы (ВАРС). К ней принадлежат холинергические нейроны покрышки среднего мозга и гигантоклеточной области моста, а также норадренергические ней­роны, самое большое скопление которых в области моста известно как го­лубое пятно (рис. 21,3). В результате активирующего действия ВАРС на неспецифические ядра таламуса и кору во время бодрствования происхо­дит деполяризация большинства кортикальных нейронов приблизительно на 10—15 мВ от исходного значения мембранного потенциала покоя (65— 70 мВ). Такая деполяризация получила название тонической, она снижает порог возбуждения кортикальных нейронов и тем самым облегчает их от­ветную реакцию на поступающую афферентную информацию. Спонтанная активность ВАРС на протяжении бодрствования не одинакова, она повы­шается, например, при действии новых сенсорных стимулов, вызывающих ориентировочные реакции, или при переживании эмоций ярости и гнева, когда особенно возрастает активность норадренэргических нейронов.

В каудальной области ретикулярной формации расположены серотони­нергические нейроны, скопления которых образуют ядра шва. Проекции этих нейронов распространяются на обширные области мозга: кору, где имеется около 500 000 серотонинергических синапсов, таламус, лимбиче­скую систему, гипоталамус, мост и продолговатый мозг. Серотонинергиче­ские нейроны тормозят активность ВАРС, изменяют активность вегетатив­ных центров ствола и характер нейронных переключений в моторных и

Рис. 21.3. Нейронные популяции, участвующие в регуляции цикла сна—бодрство­вания.

Нейронные популяции, указанные на схеме, обладают спонтанной активностью, характер ко­торой закономерно изменяется на протяжении ночного сна и во время перехода к бодрствова­нию. Активность указанных нейронов во время сна изменяется под влиянием супрахиазмаль- ных ядер гипоталамуса (СХЯ).

сенсорных ядрах ствола. Повышение их фоновой активности приводит к гиперполяризации нейронов рострального отдела ретикулярной формации, в результате снижается активирующее влияние ВАРС на кору больших по­лушарий и происходит переход от бодрствования к медленноволновому сну. Одновременное действие серотонинергических нейронов на вегета­тивные центры и переключательные ядра ствола вызывает характерные для медленноволнового сна изменения вегетативных процессов, сенсорной чувствительности и моторной деятельности.

В результате торможения ВАРС изменяется характер возбуждения зави­симых от нее неспецифических ядер таламуса, нейроны которых гиперпо- ляризуются и в них возникают длительные тормозные постсинаптические потенциалы. Они прерываются пачками или сериями нейронных разрядов, при этом большинство нейронов постепенно синхронизирует ритм своей активности, а затем навязывает его коре, нейроны которой тоже переходят от характерного для бодрствования состояния тонической деполяризации к состоянию гиперполяризации. Синхронизированная активность талами­ческих и корковых нейронов коррелирует с постепенным торможением психической активности.

Переход из фазы медленноволнового сна в фазу парадоксального сна инициируют вентромедиальные ядра гипоталамуса, которые тормозят ак­тивность серотонинергических нейронов и тем самым прекращают их тор­мозное действие на ростральную область ретикулярной формации. Вслед­ствие этого возобновляется активность холинергических нейронов гиган­токлеточной области покрышки моста, вызывающих тоническую деполя­ризацию нейронов таламуса и коры. В результате в таламусе и коре исчеза­ет характерная для фазы медленноволнового сна синхронизированная электрическая активность нейронов, которые начинают разряжаться неза­висимо друг от друга, что проявляется десинхронизацией электроэнцефа­лограммы.

Десинхронизация в фазе парадоксального сна и при бодрствовании от­личаются мало, но в остальных проявлениях мозговой деятельности между этими состояниями существуют большие различия. Во время парадоксаль­ного сна резко заторможена активность всех моноаминергических нейро­нов ствола, т. е. серотонинергических, норадренергических и дофаминер­гических, высокоактивных при бодрствовании. Считается, что активность холинергических и моноаминергических нейронов регулируется во время парадоксального сна реципрокно, и чем активнее холинергические нейро­ны, тем сильнее тормозятся моноагИинергические. Из всех восходящих ди­вергентных систем ствола, модулирующих во время бодрствования харак­тер нейронных переключений в других регионах мозга, включая кору, во время парадоксального сна активны только холинергические нейроны.

Выключение моноаминергической активности сказывается на переклю­чательной способности сенсорных и моторных ядер, на активности вегета­тивных центров ствола, лимбических структур и коры, поскольку диффуз­ные моноаминергические проекции при бодрствовании модулируют ней­ронные переключения в этих регионах. Вследствие тормозного нисходяще­го влияния орального ядра ретикулярной формации моста возникает мы­шечная атония, характерная для парадоксального сна, во время которого высокоактивные клетки коры лишаются как афферентной информации от органов чувств, так и возможности передать информацию мышцам. Сно­видения, возникающие в этой фазе сна, отражают противоречивую ситуа­цию, когда высокая активность коры сочетается с ограниченными возмож­ностями обмена информацией с периферией.

21.3.2. Регуляция циркадного ритма

Эндогенный суточный цикл сна—бодрствования синхронизирован с есте­ственным чередованием светлого и темного времени суток. Афферентная информация о характере освещения поступает по волокнам ретиногипота­ламического тракта от сетчатки к супрахиазмальным ядрам гипоталамуса (СХЯ), расположенным по обеим сторонам III желудочка мозга непосред­ственно над зрительным перекрестом. Активность нейронов СХЯ ритмич­но изменяется с периодичностью 24 ч, такой ритм определен генетически и сохраняется в условиях не меняющегося освещения. Функция супрахиаз- мальных ядер состоит в согласовании эволюционно древних ритмов актив­ности—покоя и реализуется при эфферентном действии СХЯ на гипотала­мические и стволовые центры, регулирующие специфические физиологи­ческие процессы, включая сон и бодрствование, терморегуляцию, секре­цию гормонов, экскрецию метаболитов и т. п. При этом бодрствование должно соответствовать периодам активности, а сон — покоя. Афферент­ная информация от сетчатки служит средством согласования этой врож­денной ритмики с реальным временем суток (рис. 21.4).

Нейроны вентромедиальной области СХЯ являются их входной зоной и кроме афферентных сигналов от сетчатки получают информацию из ствола мозга от ядер шва, а также из других ядер гипоталамуса (функция обрат­ной связи). Нейроны дорсомедиальной области СХЯ образуют ипсилате­ральные эфферентные связи с другими ядрами гипоталамуса, в особенно­сти с вентромедиальным ядром, они имеют также эфферентный выход к нервным центрам ствола, лимбической системе и полосатому телу. По­средством своих эфферентных путей СХЯ синхронизируют суточные рит­мы активности физиологических процессов.

В управлении циркадным ритмом вместе с супрахиазмальными ядрами участвует эпифиз, в котором в светлое время суток повышается образова-

Аргинин-вазотоцин? Мелатонин?

Рис. 21.4. Схема организации циркадной ритмики.

Супрахиазмальные ядра гипоталамуса (СХЯ) состоят из комплекса нейронных осцилляторов, связанных иерархически и параллельно. Они получают информацию о характере освещенно­сти непосредственно от сетчатки по волокнам ретиногипоталамического тракта (РГТ) и после переработки такой информации в латеральном коленчатом теле (ЛКТ). Эта информация необ­ходима для согласования эндогенного ритма активности СХЯ с периодической сменой дня и ночи. Активность СХЯ адресована другим ядрам гипоталамуса, стволу и эпифизу, которые корректируют активность СХЯ по механизму отрицательных обратных связей (пунктирные линии).

ние серотонина, а ночью из него синтезируется гормон мелатонин. Синтез мелатонина происходит благодаря повышению в ночные часы активности ключевого фермента N-ацетилтрансферазы. Ритмику этого процесса регу­лируют СХЯ, но не прямо, а опосредованно, с помощью нескольких ней­ронных переключений, активирующих симпатические нейроны верхнего шейного ганглия, которые непосредственно иннервируют эпифиз.

Нейроны СХЯ имеют рецепторы для присоединения мелатонина, а его содержание в супрахиазмальных ядрах растет в ночные часы. Поэтому ме­латонин рассматривается рядом исследователей как ингибитор активности СХЯ в ночное время, осуществляющий обратную связь между двумя звеньями циркадной системы: эпифизом и СХЯ. В соответствии с другой точкой зрения у человека мелатонин играет роль локального гормона эпи­физа и влияет на синтез пептидов, которые обладают функциональной ак­тивностью и способны проникать в кровь и ликвор. Одним из таких пеп­тидов является аргинин-вазотоцин, попадающий с током цереброспиналь­ной жидкости в супрахиазмальные ядра для модуляции активности их ней­ронов.

21.3.3. Участие коры и лимбической системы в регуляции цикла сна—бодрствования

Переход от бодрствования ко сну у человека определяет не только эндо­генный ритм, синхронизированный с реальным временем суток, но и ха­рактер поведенческой активности, связанной с переработкой сенсорной информации, особенностями трудовой или иной деятельности, пережива­нием эмоций и т. п. Не связанный с естественным чередованием дня и но­чи переход ко сну, как и ситуативная бессонница, могут произойти в ре­зультате нисходящего влияния коры или действия лимбической системы на гипоталамус и стволовые нервные центры, от активности которых не­посредственно зависит поддержание бодрствования или переход ко сну.

В состоянии бодрствования восходящая активность рострального отдела ретикулярной формации обеспечивает тоническую деполяризацию корко­вых нейронов. В таком состоянии фронтальные отделы коры тормозят ак­тивность подкорковых центров, индуцирующих переход к медленноволно­вому сну. Предполагается, что нисходящая активность фронтальной коры распространяется при бодрствовании на лимбические структуры (гиппо­камп, миндалины, перегородку), а они подавляют активность гипоталами­ческих центров сна. По-видимому, нельзя исключить и нисходящее тормо­жение каудального отдела ретикулярной формации, где расположены ядра шва, индуцирующие медленноволновой сон.

Спящего человека можно разбудить, обратившись к нему по имени, он просыпается от плача своего ребенка, что в таких случаях свидетельствует о первоначальной активации коры, без участия которой невозможно рас­познать эти слабые и сложные стимулы. Механизм пробуждения включает торможение центров сна с последующей активацией восходящей ретику­лярной формации. Напротив, бессонница, возникающая иногда из-за мыс­лей, которые не удается «отключить», вызвана торможением подкорковых центров сна активно функционирующей корой.

Активность коры при бодрствовании поддерживается тонической сти­муляцией со стороны ретикулярной формации и зависит от характера по­ступающей сенсорной информации: возрастает при действии разнообраз­ных сенсорных стимулов и уменьшается при ограничении сенсорного при­тока или при действии однообразных, монотонно повторяющихся раздра­жителей. При интенсивной сенсорной стимуляции торможение подкорко­вых центров сна со стороны коры будет проявляться сильнее, а при огра­ниченном или монотонном притоке сенсорной информации торможение уменьшается, что ведет к повышению активности центров сна. Возникно­вение сонливости при низком уровне сенсорной стимуляции (например, при монотонной работе) обусловлено снижением активности коры и по­следующим «растормаживанием» подкорковых центров, индуцирующих медленноволновой сон.

Лимбическая система определяет субъективное отношение человека к действующим стимулам и возникновение эмоций, связанное с его пове­денческой активностью. Сенсорная информация и результаты деятельно­сти, вызывающие переживание эмоций, способствуют сохранению или да­же возрастанию восходящей активности ретикулярной формации и, тем самым, поддержанию бодрствования. Отсутствие новизны в сенсорной ин­формации, монотонная деятельность, скука приводят к снижению восхо­дящей активности ретикулярной формации и, соответственно, снижению тормозящего влияния фронтальной коры на подкорковые центры сна.

21.3.4. Гуморальные индукторы и регуляторы сна

Известен ряд гуморальных веществ, индуцирующих сон, и существует ги­потеза, допускающая наличие не только гипногенных, но и препятствую­щих возникновению сна гуморальных факторов. Такие вещества были из­влечены из жидких сред организма (ликвор, кровь) экспериментальных животных и человека в условиях длительного лишения сна или, напротив, активного бодрствования. Большинство веществ, причастных к регуляции цикла сна—бодрствования, относится к пептидам.

Путем фракционирования ликвора, полученного от длительно лишае­мых сна животных, выделен состоящий из пяти аминокислот пептид, ко­торый обладает снотворным эффектом. Он получил название фактора S (от англ, sleep —сон), его удалось выделить и у человека. При введении экспериментальным животным он вызывает медленноволновой сон с по­явлением характерных изменений на ЭЭГ. Обнаружены и другие пептиды эндогенного происхождения, обладающие способностью индуцировать медленноволновой сон. К ним относятся: вызывающая сон субстанция с молекулярной массой 70—200 (SPS), дипептид мураминовой кислоты, нона­пептид, индуцирующий делъта-сон (DSIP). Эти пептиды способны преодо­левать гематоэнцефалический барьер и влиять на метаболизм нейромедиа­торов, однако после внутривенного введения они быстро разрушаются под воздействием ферментов. При введении в желудочки мозга DSIP повышает в головном мозге концентрацию серотонина и ГАМК, а их накопление в стадии медленноволнового сна способствует уменьшению обменных про­цессов и потребления кислорода мозгом.

Наряду с пептидами — индукторами медленноволнового сна, описан выделенный из ликвора в период парадоксального сна неидентифициро- ванный эндогенный пептид, вызывающий БДГ-сон при его введении экс­периментальным животным. К этому пептиду получены антитела, введе­ние которых угнетает парадоксальный сон. У человека сразу после оконча­ния фазы БДГ-сна в спинномозговой жидкости в несколько раз повышает­ся уровень аргинина-вазотоцина (АВТ). Его введение даже в очень малом количестве (около 600 молекул) вызывает сон у кошек, снотворное дейст­вие проявляется и при введении его людям, у которых при этом возникает фаза БДГ-сна. Содержание АВТ у пожилых людей с нарушениями сна уменьшено, высказано предположение о регулирующей роли этого пепти­да в организации сна у человека. Имеются сведения о том, что возникно­вению БДГ-сна способствует также вазоинтестиналъный пептид (ВИП).

К пептидам, участвующим в регуляции сна, относят также субстанцию Р (нормализует сон при стрессе), бета-эндорфин, ангиотензин-II, есть дан­ные об участии в регуляции сна соматостатина и тиреотропина. Участие нейропептидов в регуляции цикла сна—бодрствования возможно как в ка­честве комедиаторов нейронных переключений, так и в качестве нейрогор­монов. Мягкое модулирующее действие пептидов состоит в медленных из­менениях нейронной активности мозговых структур, взаимодействующих во время сна.

Наряду с нейропептидами снотворное действие на человека может ока­зывать простагландин Д₂, синтез которого стимулируется при воспалении паутинной оболочки мозга, сопровождающемся повышенной сонливостью. Мурамилпептиды бактериального происхождения даже в очень малой кон­центрации увеличивают продолжительность медленноволнового сна и уг­нетают фазу БДГ-сна; одновременно с этим они вызывают повышение температуры тела у человека. Эти факты дают возможность приблизиться к пониманию механизма повышенной продолжительности сна, наблюдаю­щейся у человека при воспалительных и инфекционных заболеваниях.