Нейрофизиологические механизмы сна. Виды сна, его биологическое значение

Оглавление:

Качество нашей жизни во многом определяется нашим психическим и физическим здоровьем. Общество осознало важность правильного питания и физической активности для здоровья. Однако важность сна по-прежнему недооценивается. Это происходит потому, что мы анализируем свои чувства и события, происходящие с нами во время бодрствования, и воспринимаем сон как пассивный отдых для тела и души.

Однако об этом необходимо подумать:

Неужели природа настолько наивна, что сохранила сон в процессе эволюции, лишив человека и животных трети жизни?
Почему стоит не выспаться одну ночь — и уже болит голова, плохое настроение, снижается работоспособность?

Современная наука убедительно доказала, что сон — это активный, сложный и многофункциональный процесс. Во время около 25% сна мозг так же активен, как и в состоянии бодрствования. Он обладает высоким уровнем электрической активности и требует интенсивного кровотока. Сон важен для восстановления энергопотребления мозга и тела, для нормального функционирования памяти. Во время сна вырабатываются определенные биологически активные вещества, например, гормон роста. Во время сна усиливается деление клеток и многие другие процессы. Когда животное лишают сна в ходе эксперимента, оно умирает.

Изучение сна привело к выявлению большого количества нарушений сна и возникновению новой отрасли медицины — медицины сна или, как ее еще называют, сомнологии — науки о сне. Диагностика и лечение различных нарушений сна требует не только специальных медицинских знаний, но и определенного современного медицинского оборудования.

Считается, что сон возник благодаря терморегуляции. Большинство млекопитающих приспособились к жизни, организовав терморегуляцию (некоторые исследователи связывают это с Великим ледниковым периодом).

В отличие от холоднокровных животных, у которых нет сна, а есть только бодрствование и отдых, во время которого мозг отключается, мозг теплокровных активен и находится в состоянии покоя. В результате эволюции возникло особое состояние — сон; ни отдых, ни бодрствование — во сне мозг активен. Отличается от состояния бодрствования, но почти так же активен.

Объяснить природу сна пытались с древних времен. Еще до нашей эры такие сильные умы, как Эмпедокл, Гиппократ, Аристотель, пробовали свои силы в этом деле. Эмпедокл считал, что сон наступает в результате отделения огня от других первоэлементов — воздуха, воды и земли, а также просто за счет уменьшения жара в крови. «Отец медицины» Гиппократ объяснял это более просто, но по сути примерно так: сон возникает в результате оттока крови и тепла к внутренним органам. Аристотель называл тепло «духами», которые исходят от пищи и вызывают сонливость. В XVI веке Парацельс дал очень приземленное объяснение причины дневной сонливости, призывая ложиться спать на закате и вставать на рассвете. Было еще довольно много объяснений, все они использовали одни и те же мистические термины, такие как «нервные духи» или «жизненные эфиры». Наиболее симпатичным мне показалось философское определение Филиппа Франца фон Вальтера, профессора физиологии и хирургии, сформулированное еще в 19 веке: «Сон — это сдача нашего эгоистического существа коллективизму духа природы, слияние индивидуальной человеческой души со всеобщим духом природы».

В период расцвета естественных наук появлялись все более рациональные объяснения загадки сна — изменения в нервных клетках, недостаток кислорода в мозге и так далее. Однако все эти гипотезы не удалось проверить. И как проверить, не спрашивают ли у объекта исследования, что с ним происходит. После сна испытуемый мог лишь попытаться описать его качество — хорошо или плохо он спал, проснулся ли он, снилось ли ему что-то, а если снилось, то что именно. В результате можно было указать лишь некоторые внешние признаки, такие как закрытые глаза, замедленное дыхание, пульс, возможно, некоторое снижение температуры. Но эти же характеристики вполне уместны при описании только человека, отдыхающего с закрытыми глазами.

Каждую ночь мы спим, и как бы нам ни нравилось это занятие, мы не осознаем, что делаем. Цель сна до сих пор остается загадкой.

Сущность и природа сна

Сон — это запредельное торможение, которое охватывает всю кору больших полушарий и спускается в некоторые глубинные отделы мозга во время глубокого сна. Причины сна также ясны. Сон наступает в условиях, благоприятствующих победе торможения над возбуждением. Итак, усыпляющее действие и длительные, ритмично повторяющиеся слабые и умеренные раздражители — тиканье часов, стук колес поезда, тихий шелест ветра, монотонная речь, тихое монотонное пение — и полное отсутствие раздражителей окружающей среды, таких как прекращение шума, выключение света и т.д. Все, что снижает эффективность работы нейронов мозга — усталость, переутомление, тяжелая болезнь — увеличивает потребность во сне и усиливает сонливость. Понаблюдайте за собой, и вы увидите, что в результате раздражений, обрушивающихся на мозг в течение дня, вечером возникает усталость, а вместе с ней и желание спать — сигнал настойчивого стремления организма к отдыху. Изучение торможения показало, что оно не просто препятствует дальнейшей работе нервных клеток.

Во время этого внешне пассивного состояния (только внешне, так как внутри клетки в это время происходят активные обменные процессы) клетки мозга восстанавливают свой нормальный состав и набираются сил для дальнейшей активной работы. Во сне, когда подавляющая масса мозга заторможена, создаются самые благоприятные условия не только для восстановления сил нейронов мозга, которые больше всего нуждаются в таком отдыхе, но и для оздоровления всего организма. В спокойном сне тело неподвижно, глаза закрыты, мышцы расслаблены, дыхание замедлено, контакт с окружающими отсутствует, но во всех частях, органах и системах организма в это время происходят активные жизненные процессы, способствующие его самообновлению. Многие люди с сожалением говорят, что на сон мы тратим около трети своей жизни. Но это тщетные усилия. Ведь только благодаря сну каждый день с новыми силами можно успешно работать и активно отдыхать — читать, играть в игры на свежем воздухе, заниматься спортом, ходить в театр и т.д. Часть мозга, которая контролирует сон, называется ретикулярной формацией в центральном ядре ствола мозга. Нейроны в этой части мозга образуют сети связей по всей центральной нервной системе. В этой части мозга преобладают три типа нейронов. Они выделяют нейротрансмиттеры норадреналин, дофамин и серотонин. Считается, что серотонин способен вызывать в мозге изменения, вызывающие сон. Другие вещества, вызывающие сон, обнаруживаются в крови, моче, спинномозговой жидкости и тканях мозга. К ним относятся DSIP, пептид, вызывающий дельта-волновой сон, и «вещество S», которое может вызывать медленноволновой сон. Взаимодействие между этими веществами еще не изучено. В мозге взаимодействуют две системы: система, вызывающая сон, и система, вызывающая бодрствование. Последнее может отменить первое.

Согласно некоторым определениям, сон — это комплекс физиологических и психофизиологических процессов в организме, особая деятельность мозга; согласно упрощенному поведенческому определению, сон — это возобновленное состояние перцептивного блока и отсутствие реакции на окружающую сред. Во время сна проявляются два различных состояния: медленный сон (non-rapid, NREM, без быстрых движений глаз) и быстрый сон (REM, с быстрыми движениями глаз), которые отличаются друг от друга не только вышеупомянутой особенностью, но и характером ЭЭГ и связанной со сном динамикой различных физиологических и психофизиологических функций. Комплекс, включающий медленный и быстрый сон, называется циклом сна. Во время ночного сна наблюдается несколько таких циклов.

Биологическое значение сна связано с адаптацией к смене освещенности (день-ночь). Организм способен заранее приспособиться к предстоящим изменениям во внешнем мире. Сон — важнейший механизм адаптации организма, его способность адекватно реагировать на различные эндогенные и экзогенные раздражители путем перестройки биоритма, определяющего здоровье человека.

Механизмы сна

Один из главных вопросов, который волнует физиологов со времен Павлова, — это существование «центра сна» в мозге. Во второй половине нашего века непосредственное изучение нейронов, участвующих в регуляции сна-бодрствования, показало, что нормальная деятельность таламо-кортикальной системы мозга, обеспечивающей сознательную деятельность человека в состоянии бодрствования, возможна только при участии определенных подкорковых, так называемых активирующих структур. В результате их действия в состоянии бодрствования мембрана большинства нейронов коры головного мозга деполяризована на 10-15 мВ по сравнению с потенциалом покоя — (65-70) мВ. Только в этом состоянии тонической деполяризации нейроны могут обрабатывать информацию и отвечать на сигналы, поступающие к ним от других нейронов (рецептивных и внутримозговых).

Как теперь ясно, существует несколько таких систем тонической деполяризации или активации мозга (условно «центры бодрствования») — возможно, пять или шесть. Они расположены на всех уровнях оси мозга: в ретикулярной формации ствола, в locus coeruleus и дорсальных сутуральных ядрах, в заднем гипоталамусе и в базальных ядрах переднего мозга. Нейроны в этих отделах выделяют медиаторы — глутаминовую и аспаргиновую кислоты, ацетилхолин, норэпинефрин, серотонин и гистамин, активность которых регулируется многочисленными пептидами, находящимися вместе с ними в тех же везикулах. У человека нарушение работы одной из этих систем не компенсируется другими, несовместимо с сознанием и приводит к коме.

Общая схема структуры мозга и его участка (внизу), в котором расположены центры бодрствования и парадоксального сна (выделены цветом); указаны соответствующие медиаторы.

Кажется, что если в мозге есть «центры бодрствования», то должен быть, по крайней мере, один «центр сна». Однако в последние годы стало ясно, что в самих центрах пробуждения существует встроенный механизм положительной обратной связи. Это специальные нейроны, которые осуществляют торможение активирующих нейронов и сами тормозятся ими. Такие нейроны разбросаны в разных частях мозга, большинство из них находится в ретикулярной части черного вещества. Все они выделяют один и тот же медиатор — гамма-аминомасляную кислоту, основное тормозное вещество мозга. Как только активирующие нейроны ослабляют свою активность, включаются тормозящие нейроны и ослабляют ее еще больше. В течение некоторого времени процесс идет по нисходящей, пока не сработает определенный «триггер» и вся система не переключится либо в состояние бодрствования, либо в состояние парадоксального сна. Объективно этот процесс отражает изменения в паттернах электрической активности мозга (ЭЭГ) в течение полного цикла сна человека (90 мин).

Недавно внимание исследователей было привлечено к другой эволюционно древней тормозной системе мозга, использующей в качестве медиатора нуклеозид аденозин. Японский физиолог О. Хаяши и его коллеги показали, что простагландин D2, синтезируемый в мозге, участвует в модуляции аденозинергических нейронов. Поскольку основной фермент этой системы, простагландиназа-D, локализуется в менинге и хороидном сплетении, роль этих структур в развитии некоторых видов патологий сна очевидна: гиперсомния при некоторых черепно-мозговых травмах и менингеальных воспалительных процессах, африканская «сонная болезнь», вызванная трипаносомами, передающимися при укусе мухи цеце, и т.д.

Прямая регистрация индивидуальной активности нейронов мозга в экспериментах на лабораторных животных показала, что в состоянии бодрствования (в состоянии тонической деполяризации) характер разрядов таламо-кортикальных клеток высоко индивидуализирован. Но по мере углубления сна и увеличения синхронизированной активности в ЭЭГ начинают преобладать более мощные тормозные постсинаптические потенциалы, перемежающиеся с периодами восторга — высокочастотными вспышками разрядов нейронов (такой паттерн активности нейронов называется «пауза пака»).

Регуляторы сна

Таким образом, уже многое известно о механизмах исполнения трех функциональных состояний мозга — бодрствования, нормального сна и парадоксального сна. Однако почти неизвестен биохимический механизм, который контролирует чередование этих состояний. Для этой роли необходимы вещества, которые имеют более длительное время жизни в организме, чем «классические» нейротрансмиттеры, и менее специфичны для определенных рецепторных белков. Они могут переноситься вместе со спинномозговой жидкостью (СМЖ) и распространяться по межклеточной жидкости, таким образом поражая обширные участки мозга, иногда довольно далеко от места выброса. Такие вещества стали известны сравнительно недавно; это регуляторные пептиды, продукты направленного расщепления белков, эволюционно древние трансмиттеры, которые широко распространены в мозге и организме и играют важную роль в ряде физиологических процессов.

Среди них на первом месте стоит так называемый дельта-сон индуцирующий пептид (DSIP) — единственное вещество, которое было выделено из крови кролика в качестве регулятора сна еще в конце 1970-х годов группой швейцарских авторов. В исследованиях введение вещества экспериментальным животным не показало соответствующего эффекта — возможно, из-за быстрого распада его молекул под воздействием ферментов организма. Однако ученым удалось обнаружить «дремлющие» свойства у некоторых производных DCIP, так называемых «структурных аналогов», которые химическим путем повышали устойчивость к разрушительным ферментам. Такие соединения представляют особый интерес для дальнейшего фармакологического исследования, тем более что есть основания полагать, что они также обладают способностью повышать устойчивость организма к стрессовым воздействиям.

Однако интересно отметить, что некоторые характеристики DCIP заставляют усомниться в его природном происхождении. Этот пептид не принадлежит ни к одному из многочисленных семейств пептидов, известных в настоящее время. Ни его рецептор, ни ген, кодирующий белок-предшественник, из которого высвобождается DCIP, ни сам этот белок пока не найдены. Одно предположение напрашивается само собой: Не является ли этот пептид своего рода артефактом, результатом ошибки в аминокислотной последовательности молекулы при ее выделении в ничтожно малом количестве (0,3 мг)? Проверить эту гипотезу не удавалось до 1998 года, когда пептидный банк ЭРОП-МОСКВА, основанный доктором химических наук А. А. Замятниным в Биохимическом институте РАН, случайно обнаружил структурное сходство DCIP и одного из дерморфинов — природных пептидов, впервые выделенных из кожи (дермы) лягушек в начале 1980-х годов и обладающих мощнейшими опиоидными (морфиноподобными) свойствами.

Впоследствии были разработаны структурные последовательности молекул двух таких пептидов (аналогов DCIP и дерморфина одновременно), которые абсолютно идентичны, но представляют собой оптические изомеры. Затем эти пептиды были синтезированы в НИИ химии Санкт-Петербургского университета. При введении в мозг морских свинок один из этих пептидов оказался совершенно неактивным, а другой, обладающий повышенной устойчивостью к вредному воздействию ферментов мозга, показал самый сильный эффект, заключающийся в значительном увеличении и продолжительности привычного сна — как за счет сокращения времени бодрствования, так и за счет сокращения продолжительности парадоксального сна.

Природа этого «снотворного» эффекта была очень похожа на эффект активных аналогов SSRIs, но в данном случае эффект был намного сильнее.

Интересно, что даже этот устойчивый к ферментам пептид очень быстро разрушается в организме животного — его концентрация уменьшается вдвое в течение нескольких минут. С другой стороны, эффект от его приема проявляется только через 5 часов и длится еще 5 часов (рис. 3). Таким образом, становится ясно, что это вещество не действует непосредственно на клетки мозга, а запускает длинную цепь пока неизвестных событий. Последним звеном в этой цепи является изменение баланса нейротрансмиттеров, что приводит к уменьшению времени бодрствования и увеличению времени нормального сна.

Механизмы бодрствования и сна

Переход от бодрствования ко сну происходит двумя возможными способами. Во-первых, возможно, что механизмы, поддерживающие состояние бодрствования, постепенно «устают». Согласно этой точке зрения, сон — это пассивное явление, следствие снижения уровня бодрствования. Однако не исключено активное ингибирование механизмов, обеспечивающих бодрствование. Важную роль в регуляции цикла сон-бодрствование играет ретикулярная формация ствола мозга, которая содержит множество диффузно расположенных нейронов, аксоны которых идут почти ко всем областям мозга, кроме новой коры (неокортекса). Его роль в цикле сон-бодрствование была изучена в конце 1940-х годов Г. Моруцци и Н. Магуном. Они обнаружили, что высокочастотная электрическая стимуляция этой структуры у спящих кошек приводит к их немедленному пробуждению. В отличие от этого, повреждение ретикулярной формации приводит к постоянному коматозному сну; разрыв только сенсорных путей, проходящих через ствол мозга, не имеет такого эффекта.

Серотонинергические нейроны также играют очень важную роль в регуляции бодрствования и сна. В верхних отделах ствола мозга есть две области — ядра шва и синего язычка, нейроны которых характеризуются такими же обширными проекциями, как и нейроны ретикулярной формации, т.е. достигают многих областей ЦНС. Серотонин (5-гидрокситриптамин, 5-НТ ) является медиатором в ядрах шва, а норадреналин — медиатором в locus coeruleus. Нарушение работы ядер шва у кошки приводит к полной бессоннице в течение нескольких дней; в течение следующих нескольких недель сон нормализуется. Частичная бессонница также может быть вызвана подавлением синтеза 5-НТ под действием n-хлорфенилаланина. Его можно обратить вспять путем введения 5-гидрокситриптофана, предшественника серотонина, который не пересекает гематоэнцефалический барьер.

Двустороннее поражение синегнойной палочкой приводит к полному исчезновению фаз БДГ, не влияя на медленноволновой сон. Истощение запасов серотонина и норадреналина под действием ресерпина приводит к бессоннице, как и ожидалось. Однако оказалось, что нейроны ядра Шва наиболее активны и выделяют больше всего серотонина не во время сна, а во время бодрствования. Более того, возникновение СДГ, по-видимому, связано с активностью нейронов более диффузного ядра subblue, а не locus coeruleus. Последние эксперименты показывают, что серотонин опосредует как возбуждение, так и «гормон сна» в состоянии бодрствования, стимулируя синтез или высвобождение «веществ сна» (факторов сна). (факторы сна), которые, в свою очередь, вызывают сон. Были предприняты попытки обнаружить определенные вещества либо после длительной депривации сна, либо у спящего человека. Первая из этих попыток основана на предположении, что фактор(ы) сна накапливаются до уровня, вызывающего сон, во время бодрствования, а вторая — на гипотезе, что они образуются или высвобождаются во время сна. Исследования привели к определенным результатам. При проверке первой гипотезы, например, из мочи и спинномозговой жидкости людей и животных был выделен небольшой глюкопептид, фактор S, который вызывает медленноволновой сон при введении другим животным. В БДХ, по-видимому, также присутствует фактор сна. Исследование второй гипотезы привело к открытию (теперь уже синтезированного) неапептида, вызывающего глубокий сон, под названием δ-сон пептид (DSIP, delta-sleepinducingpeptide). Однако пока неизвестно, играют ли эти и многие другие «вещества сна», обнаруженные при проверке обеих гипотез, роль в его физиологической регуляции. Более того, выделенные пептиды часто вызывают сон только у животных определенного вида; кроме того, он наступает и под воздействием других веществ. Однако сросшиеся девочки-близнецы могли спать раздельно, что указывает на подчиненную роль гуморальных факторов и решающую роль нервной системы в развитии сна.

Биологическое значение сна

Когда в работе Клейтмана и Азеринского из Чикагского университета (первая публикация датируется 1953 годом) было установлено, что сон имеет очень сложную структуру, что он состоит из периодов «медленного и «быстрого» сна, сменяющих друг друга снова и снова, стало ясно, что сон — это не отдых мозга, а особый вид деятельности.

В чем смысл этой деятельности, ее биологическое значение, каковы ее цели? Прежде всего — восстановительный, репарационный. В результате напряженной деятельности по обработке огромных объемов информации в течение дня начинают изнашиваться нервные клетки, синапсы (места контакта между нервными клетками), и особенно из-за истощения не энергетических запасов, а тех веществ, которые необходимы для восприятия, обработки и передачи этой информации в структурах мозга, то есть белков и рибонуклеиновых кислот. Многочисленные исследования показали, что во время сна мозг очень активно синтезирует эти вещества.

Однако важность сна этим не ограничивается. В организме происходит огромное количество разнообразных физиологических, биохимических, метаболических процессов, которые являются основой нашего существования. Все они должны быть так или иначе скоординированы, находиться в соответствующих временных отношениях. Эта координация происходит с помощью различных механизмов, важнейшим из которых является мозг: он получает от всех внутренних органов разнообразную сенсорную информацию, а в обратном направлении поступают регулирующие импульсы. Но во время активной повседневной жизни мозгу приходится выполнять еще одну важную задачу — обработку информации, поступающей из внешнего мира, взаимодействие организма с окружающей средой. В это время как бы «все направлено вовне», и определенный «недостаток внимания к внутренним проблемам» может повлиять на течение различных процессов в организме.

Представьте себе человека, который встал утром, позавтракал и спокойно вышел из дома. Все системы в его организме работали без каких-либо серьезных сбоев. Но тут он видит, что нужный ему троллейбус подъезжает к остановке. Он должен спешить. Человек бежит: сердце ускоряется, выброс адреналина в кровь увеличивается, и в то же время работа желудка и кишечника замедляется, то есть происходит срочное изменение всей внутренней экономики организма. Весь день проходит так: одни системы усиливаются, другие подавляются, потом все идет в обратном порядке, и так далее. Сон сглаживает эти резкие скачки, восстанавливает ритм собственных спонтанных колебаний в работе внутренних органов и тканей, выравнивает нарушенные фазовые соотношения между различными процессами в организме. Это очень нужная, важная работа.

Невозможно поверить, что в течение дня мозг успевает полностью обработать всю полученную информацию. То, что следует отложить («это не срочно»). А во время сна («в более спокойной обстановке»), как выясняется, продолжается работа над этой частью информации — над ее классификацией, фиксацией, переводом в долговременную память…..

Таким образом, сон, который первоначально возник как приспособление организма к переходу от дневной к ночной неподвижности, в ходе эволюционного развития животного мира приобрел ряд очень сложных функций, вплоть до участия в определенных умственных операциях.

Вместе с последними открытиями в области физиологии сна, которые показали, что сон не является простым подавлением активности мозга, его отдых приводит к концу и самый простой способ лечения бессонницы, который раньше казался вполне разумным: прием различных седативных и гипнотических средств. В конце концов, они просто подавляют всю деятельность мозга, как бы оцепеняя его. В частности, снотворные сильно подавляют фазу сна, известную как REM-сон. Эта фаза, как было показано, чрезвычайно важна для нормального функционирования мозга, и ее лишение может привести к изменениям в психической сфере.

Из вышесказанного становится понятно, какую огромную ценность для человека представляет нормальный, полноценный сон, и какой важной задачей медицины является борьба с нарушениями сна, бессонницей.

На странице курсовые работы по психологии вы найдете много готовых тем для курсовых по предмету «Психология».

Здесь темы рефератов по психологии

Читайте дополнительные лекции: