Нейрофизиологические механизмы сна

 

С чем связана наблюдающаяся во время сна синхронизация разрядов нейронов, в какой области мозга находится "дирижёр", задающий им определённый ритм активности? В 1935-37 годах в издававшемся в Париже научном журнале появилось несколько статей Ф. Бремера (Bremer F.) - он был первым, кто попытался ответить на этот вопрос. Предполагая, что сон наступает вследствие прекращения потока импульсов от переднего мозга к коре, Бремер для проверки этой гипотезы перерезал у кошки ствол мозга между верхними и нижними буграми четверохолмия и этим прервал афферентный приток информации к коре (Рис. 16.5). После такой перерезки электроэнцефалограмма стала непрерывно показывать картину сна, причём "поведение головы" вполне согласовывалось с ней: кошки почти всё время спали. Вывести их из такого состояния удавалось только с помощью сильного зрительного или обонятельного раздражения (эти сенсорные пути не повреждались при операции).

У кошек другой экспериментальной группы Бремер отделял головной мозг от спинного. Как и в случае перерезки мозга между верхними и нижними буграми четверохолмия животные оказывались парализованными, и в том, и в другом случае прерывалось поступление большой части сенсорных сигналов к коре, но электроэнцефалограмма кошек из второй экспериментальной группы показывала сохранность ритма сна-бодрствования. Бремеру оставалось сделать единственный возможный вывод: для управления этим ритмом требуется часть мозга, расположенная между двумя уровнями осуществлённых перерезок, т.е. ствол мозга. Но какая часть ствола дирижирует активностью нейронов коры?

В 1948 году на этот вопрос ответили Мэгун и Моруцци (Magoun H.W., Moruzzi G.). Они установили, что при электрической стимуляции ретикулярной формации ствола мозга спящие кошки просыпаются, при этом на электроэнцефалограмме появляется длительная десинхронизация ритма. К такому же результату приводила электрическая стимуляция неспецифических ядер таламуса, обычно получающих возбуждение от ретикулярной формации и передающих его к коре. Так возникло представление о восходящей активирующей ретикулярной системе (ВАРС), обеспечивающей бодрствование своей активностью, а наступление сна - снижением этой активности. Эта концепция скоро получила косвенное подтверждение. когда обнаружилось, что перерезка только латеральных областей ствола мозга, через которые проходят специфические сенсорные пути к коре, не изменяет нормальный цикл сна-бодрствования. Следовательно механизм управления этим циклом нужно было искать именно в ретикулярной формации.

Такой поиск привёл к обнаружению функционально отличающихся областей ретикулярной формации, одни из которых оказались необходимыми для возникновения медленноволнового сна, другие - БДГ-сна (Рис. 16.6). Вдоль средней линии каудальной ретикулярной формации есть скопления серотонинэргических нейронов, которые называются ядрами шва (ЯШ). В 1966 году М.Жюве (Jouvet M.) обнаружил, что их разрушение у кошек в 80-90% приводит к полной потере сна на протяжении 3-4 суток, затем сон помаленьку возвращается, однако не превышает 2,5 часов, тогда как нормальные кошки спят около 14 часов в сутки (кстати, именно это обстоятельство и побудило многих исследователей сна использовать кошек в качестве подопытных животных). Если мало спящим после разрушения ЯШ кошкам вводить серотонин, то продолжительность сна у них увеличивается, а если блокировать у нормальных кошек образование серотонина (путём введения ингибитора его синтеза - парахлорфенилаланина), то и у них возникает временная бессонница. При двустороннем разрушении норадренэргических ядер голубого пятна (ГП), расположенных в боковой части ромбовидной ямки, у кошек сохраняется медленноволновый сон, но совершенно исчезает фаза БДГ-сна.

Накопление такого рода наблюдений привело к представлению о том, что холинэргические нейроны ретикулярной формации среднего мозга (ростральная часть) и гигантоклеточной области покрышки моста вызывают пробуждение, сопровождающееся десинхронизацией ЭЭГ, тогда как серотонинэргические (ЯШ) и норадренэргические (ГП) нейроны каудальной части ретикулярной формации тормозят деятельность холинэргических нейронов и синхронизируют ритм, причём ЯШ индуцируют наступление ортодоксального, а ГП - парадоксального сна. Морфологические исследования показали, что аксоны клеток, образующих ЯШ, достигают самых разных регионов головного и спинного мозга. Так же далеко простираются и аксоны нейронов голубого пятна: они образуют синапсы с клетками спинного мозга и мозжечка, иннервируют гиппокамп и обильно ветвятся в коре больших полушарий.

К концу 80-х годов однако выяснилось, что если у кошек регулярное введение серотонина увеличивает продолжительность сна, то на другие виды животных серотонин так не действует, а блокада его синтеза вызывает бессонницу опять-таки только у кошек, но не влияет на продолжительность сна у других видов животных. Попытки использовать для лечения бессонницы у людей предшественник серотонина - 5-гидроокситриптофан также не увенчались успехом. А вскоре и вовсе было показано, что нейроны ядер шва более активны во время бодрствования, когда они выделяют максимум серотонина. Было выяснено, что они участвуют в регуляции внимания и некоторых других комплексных когнитивных функций.

Нейроны голубого пятна так же необходимы для активации внимания: например, при возникновении реакции страха они получают информацию от миндалин и немедленно увеличивают количество выделяемого норадреналина. Активность нейронов голубого пятна по-видимому уменьшают некоторые снотворные вещества (барбитураты) и антистраховые средства (бензодиазепины). Кроме того, оказалось, что не только ствол мозга, но и, по-видимому, структуры базального переднего мозга, расположенные кпереди от гипоталамуса имеют отношение к регуляции цикла сна-бодрствования. При повреждении этой области у кошек отчётливо уменьшается продолжительность ежедневного сна.

Таким образом, к настоящему времени точная картина способствующих сну переключений холинэргических, серотонинэргических и адренэргических нейронов не установлена. Скорее всего они участвуют и в регуляции уровня бодрствования, и в наступлении той или иной фазы сна. Эти нейроны обладают спонтанной активностью, т.е. способностью самопроизвольно генерировать нервные импульсы. Частота таких импульсов меняется под влиянием многих обстоятельств, и возможно от характера этой ритмики зависит возникновение той или иной фазы цикла сна-бодрствования. Эту ритмику в первую очередь определяют супрахиазмальное и, возможно, вентромедиальное ядра гипоталамуса (См. 16.2). Кроме того на активность стволовых структур влияет мозговая кора, в первую очередь лобная; именно она способна затормозить наступление сна и продлить бодрствование или же наоборот: настроиться на переход ко сну в неподходящее, необычное время, если этого требуют обстоятельства.. Наконец, лимбическая система мозга тоже может изменить характер цикла сна-бодрствования, что, например, нередко случается при сильном эмоциональном возбуждении.

 

Гуморальные индукторы сна

 

На протяжении длительной истории изучения механизмов сна неоднократно предпринимались попытки получить из крови долго не спавших или, напротив, спящих животных или человека особые вещества, которые могли бы индуцировать сон у нормальных животных. Впервые в 1963 году от спящих кроликов был получен небольшой пептид, индуцирующий дельта-сон (ПИДС), в настоящее время этот пептид синтезирован. В 1967 году из спинномозговой жидкости принудительно лишаемых сна коз был выделен гликопротеин с молекулярной массой 350-500, он получил название фактора сна - S. В 80-х годах его аналог удалось выделить из мочи человека. Из экстракта ствола мозга лишённых на протяжении 24 часов сна крыс была получена снотворная субстанция с молекулярной массой 70-200.

Примерно тогда же было установлено, что у людей сразу после окончания фазы БДГ-сна в спинномозговой жидкости в несколько раз повышается уровень совсем небольшого пептида - аргинин-вазотоцина. К этому времени было известно, что его содержание уменьшается с возрастом, когда достаточно часто встречаются нарушения сна, в связи с чем появились предположения о регулирующей сон роли этого эндогенного вещества. Остаётся однако неизвестным, способны ли подобные вещества играть какую-либо роль в физиологическом механизме сна, хотя интерес к нейропептидам мозга в последние годы несомненно вырос.

 

БДГ-сон и сновидения

БДГ-сном по всей видимости управляют многие регионы каудальной ретикулярной формации, каждый из которых контролирует какое-то одно проявление этой фазы сна: быстрые движения глаз, резкое падение мышечного тонуса, десинхронизацию ритма электроэнцефалограммы и т.п. (Рис. 16.7). Активность этих центров координируется холинэргическими нейронами моста: микроинъекция в эту область мозга кошек агониста ацетилхолина сразу же вызывает наступление БДГ-сна. Внутривенное введение агонистов ацетилхолина спящим людям приводит к увеличению у них продолжительности БДГ-сна, тогда как введение антагонистов ацетилхолина укорачивает эту стадию. Нейроны ЯШ и ГП во время медленноволнового сна активны, но в фазе БДГ-сна они почти инактивированы. В связи с этим высказано предположение, что индуцирующие БДГ-сон холинэргические нейроны находятся в реципрокных отношениях с серотонинэргическими и норадренэргическими нейронами этих ядер.

Если будить испытуемых, как только они перейдут в фазу БДГ-сна, то в дальнейшем эта фаза начинает появляться чаще, чем обычно. Так, например, в одном из экспериментов с лишением БДГ-сна испытуемого будили на протяжении первой ночи 17 раз - столько раз, вместо обычных 4-6, у него наступал БДГ-сон. Этот опыт продолжался в течение недели, на протяжении которой дефицит БДГ-сна увеличивался и на седьмую ночь испытуемый был разбужен уже 67 раз. Длительное лишение БДГ-сна приводит по некоторым данным к возникновению ряда личностных и мотивационных проблем, а увеличение продолжительности только этой фазы в ответ на лишение БДГ-сна говорит о независимых механизмах его управления. В то же время известно, что после длительного тотального лишения сна испытуемые проводят большую часть времени в медленноволновом сне: по-видимому механизмы его регуляции в таком случае доминируют.

Не менее 80% разбуженных во время БДГ-сна вспоминают сновидения, включая и тех людей, которые считали, что они никогда не видят сны. На самом деле они их просто забывают, если не оказываются разбуженными в фазе БДГ-сна. Существует длинная история толкования снов, отражение которой можно встретить ещё в Библии, где, например, Иосиф объяснял значение снов виночерпия, хлебодара и фараона, причём дальнейшие события подтверждали его правоту (Бытие, 40, 41). Зигмунд Фрейд (Freud S.) выстроил целую теорию толкования снов, придав этой гадательной области форму научной респектабельности. Он толковал сны как прорыв из подсознания вытесненных туда запретных, неприемлемых желаний и наделил сексуальной символикой почти все элементы сновидений, относя их либо к мужским половым органам (нож, дерево, зонт, шест и т.п.), либо к женским (дверь, сосуд, рана, карман и т.п.). Один из оппонентов Фрейда (Bumke O.) в связи с этим язвительно заметил: "Если молодой девушке приснилось, что ей нужно идти на вокзал, а она заблудилась в лесу, то в это каждый поверит Фрейду. Но что вокзал означает преддверие вагины, а лес - лес срамных волос - это я считаю предметом совершенно односторонней и уродливой фантазии."

В настоящее время сновидения принято объяснять в рамках теории активационного синтеза, учитывающей, что во время фазы БДГ-сна одновременно активируются многие центры ствола мозга, сигналы от которых поступают в кору, а она осуществляет синтез этих нередко противоречивых сигналов, пытаясь объединить их и придать им смысл. Иногда в содержание сновидений включаются внешние раздражители (слуховые, тактильные и т.д.). В одном из исследований на находящихся в БДГ-сне испытуемых разбрызгивали воду, а затем будили: в 14 из 33 таких случаев разбуженные видели сны, каким-либо образом связанные с водой. Активация сенсорных областей во время БДГ-сна приводит к зрительным, слуховым, тактильным компонентам сна, а повышение активности моторных структур ствола сопровождается переживанием движений, хотя реальные движения не происходят в связи с торможением активности мотонейронов ретикулярной формацией. Некоторые исследователи считают, что во время БДГ-сна происходит эмоциональная адаптация к складывающимся обстоятельствам, формируются поведенческие программы, апробируются разные варианты решения жизненных проблем и закрепляются в долговременной памяти следы дневного опыта. Возможно именно поэтому в периоды решения наиболее сложных жизненных задач или творческих проблем продолжительность БДГ-сна может увеличиваться.