Нервная регуляция сна и бодрствования
Нервная регуляция сна и бодрствования
Регуляция сна и бодрствования.
В регуляцию цикла сон\бодрствование осуществляется с помощью следующих механизмов:
1) Механизмы внутрисуточного ритма активность-покой.
2) Механизмы восходящей активации (бодрствование).
3) Механизмы обычного (медленного) сна.
4) Механизмы парадоксального сна.
Определяется по характеру температуры тела. Когда фактор накапливается, человек засыпает, и лишь физическая нагрузка может заставить его бодрствовать некоторое время.
Наше состояние в данный момент определяется алгебраической суммой двух кривых. В каждом эпизоде сна интенсивность медленноволновой фазы (светлая штриховка) постепенно снижается, а быстрой (парадоксальной) – возрастает. W – бодрствование, S – сон.
Механизмы бодрствования, медленного сна.
Во время бодрствования происходит тоническая деполяризация коры головного мозга.
Существует несколько систем, регулирующих бодрствование. Это:
1) Система голубого пятна (медиатор – норадреналин).
2) Педункулопонтийная область моста (медиатор – ацетилхолин).
3) Ядра шва (медиатор – серотонин).
4) Мезэнцефалическая ретикулярная формация (медиатор – глутамат).
5) Вентральная тегментальная область, а также компактная часть черного вещества (медиатор – дофамин).
6) Задний латеральный таламус (пептид гипокритий – орексин).
7) Туберо-маммилярное ядро (медиатор – гистамин).
8) Базальная часть переднего мозга (медиатор – ацетилхолин).
9) Супрахиазмальные ядра.
10) Медиальная префронтальная кора.
Системы восходящей активации.
1. Классический путь: из таламических ядер глутамат поступает в кору.
2. Вентральный путь: по медиальному пучку переднего мозга, из базальные ядер в кору поступают холинергические импульсы.
Система медленного сна.
Во время медленного сна кора находится в состоянии тонической гиперполяризации. Первично происходит ослабление центров, отвечающих за бодрствование. Далее включается тормозная система и усиливает торможение этих центров. Во время сна нейроны работают в режиме пачка- пауза.
Системы торможения:
1) Передний таламус, преоптическое ядро, в которых находятся ГАМК-нейроны. Стоит отметить, что клетки этой области имеют длинные аксоны, в везикулах которых находится пептид галантин; он придает импульсам дополнительную силу и продолжительность.
2) Короткоаксонные холинергические клетки в I-II слоях коры головного мозга
3) Торможение происходит также при подаче импульсов на пирамидальный корково-таламический нейрон, во время чего возникают пучки деполяризующих сигналов на таламус.
Несмотря на глубокое торможение, передача информации не прекращается: наблюдаются кальциевые спайки на фоне гиперполяризации (колебания мембраны).
Во время медленного сна головной мозг восстанавливает метаболический баланс, баланс электролитов. Субъективное ощущение выспанности наступает восле восстановленияитих параметров, то есть через 2-4 цикла сна.
Регуляция сна
Тот факт, что наиболее употребляемыми медикаментами в мире после болеутоляющих являются снотворные и тонизирующие средства, говорит о том, что человечеству крайне необходимо иметь средства воздействия на систему сна и бодрствования.
При этом следует отметить, что все существующие на рынке снотворные и стимуляторы имеют массу побочных действий и противопоказаний и, что самое важное, далеко не всегда эффективны. Именно этот факт и является движущей силой в раскрытии механизмов регуляции сна для создания более эффективных и безопасных снотворных и тонизирующих лекарственных препаратов.
История исследования регуляции сна не такая долгая. Впервые серьезно задумались над причинами возникновения сна только в начале XIX века, когда французский философ и врач Пьер Жан Жорж Кабанис (1757 – 1808) предположил, что сон возникает в результате застоя крови в мозгу вследствие горизонтального положения тела.
Так родилась гемодинамическая (циркуляторная) теория сна.
Эти взгляды получили продолжение в конце XIX века, когда Анджело Моссо (1846 – 1910) изобрел специальную кровать-весы. Человека укладывали на эту кровать и при его засыпании заметили, что головной конец кровати приподнимался.
Это расценивалось как отток крови от головы во время сна, вследствие чего голова становилась легче. Не все согласились с результатами Моссо: многие физиологи утверждали обратное, что сон возникает в результате прилива крови к голове и приводили свои доводы.
Хотя все перечисленные взгляды и были ошибочными, но они задали правильное направление, а именно они связывали возникновение сна с кровообращением в головном мозге.
Первыми по-настоящему научными опытами по исследованию регуляции сна были эксперименты на собаках французского психолога Анри Пьерона (1881 – 1964), одного из классиков сомнологии.
Суть эксперимента в том, что собак привязывали коротким поводком к стене, что не позволяло животным заснуть. На 10й день (а на 11й обычно наступала смерть) часть собак умерщвляли, тогда как другим давали выспаться и только потом умерщвляли.
Клетки мозга первой части собак оказались в крайне ужасном состоянии: наблюдалось жировое перерождение нервных центров, кровеносные сосуды кишели лейкоцитами, а у тех, кому давали выспаться изменений в нейронах не было вообще.
Был сделан вывод о том, что на клетки мозга действует некое переносимое кровью эндогенное вещество, вызывающее сон – гипнотоксин (сонный яд). Для подтверждения своей гипотезы Пьерон провел другой эксперимент, в котором бралась кровь, спинномозговая жидкость и экстракт из головного мозга от спящей собаки и вводилась собаке бодрствующей – та немедленно засыпала.
Так родилась химическая (гуморальная) теория сна, которая в несколько видоизмененном виде существует до сих пор. И хотя Пьерону так и не удалось выделить гипнотоксин, уже ни у кого не вызывало сомнений его существование. Казалось поколебать химическую теорию сна невозможно. Однако были описаны случаи, к которым эту теорию невозможно было применить.
В частности, академик Петр Кузьмич Анохин (1898-1974) наблюдал в 1940х годах за сросшимися девочками-близнецами, у которых одна на двоих кровеносная система, но разные головы и обнаружил, что девочки могут спать в разное время – факт, который рушил всю теорию.
Чтобы проверить эти наблюдения, швейцарский нейробиолог Марсель Монье (1907 — 1996) в 1965 году создал на собаках модель сиамских близнецов. У двух собак было налажено перекрестное кровообращение: кровь от мозга одной собаки текла в туловище другой и наоборот.
Когда определенный участок мозга собаки раздражали и провоцировали ее засыпание, засыпала и другая собака. Монье даже удалось в 1974 году выделить из крови спящих кроликов неуловимый гипнотоксин – полипептид, введение которого животным неизменно вызывало сон, названный впоследствии пептид дельта сна (DSIP, Delta sleep-inducing peptide).
За последние десятилетия помимо пептида дельта-сна обнаружены и другие гипногенные вещества, такие как аденозин, фактор Папенхаймера, серотонин и другие.
Было постулировано, что сон запускается химическими агентами, которые накапливаются в течение бодрствования в организме и, достигая критической точки, переключают состояние бодрствования на состояние сна.
Очевидно, что химическая теория верна, но как же быть с настоящими, а не модельными сиамскими близнецами? Разрешить это явное противоречие удалось только с позиций центральных механизмов регуляции сна, впервые высказанной и яро пропагандируемой Иваном Петровичем Павловым (1849 – 1936) в его вертикальной теории сна.
По этой теории развитие сна связано с развивающимся утомлением нейронов, что создает условия для возникновения процессов торможения. Согласно Павлову, сон – это разлитое генерализованное торможение коры головного мозга и подкорковых структур.
При этом центральные нейронные механизмы являются определяющими, а гуморальные – второстепенными. Все дело в том, что одна голова сиамских близнецов просто не хотела спать вследствие очагов возбуждения в коре головного мозга, препятствующих иррадиации торможения.
Это может иметь место, когда существуют стимулы, которые в данный момент времени кажутся более значимыми, чем сон (принцип доминанты Ухтомского). За интересной книгой мы можем провести всю ночь не сомкнув глаз, хотя концентрация гипногенных веществ в крови уже достаточно высока, чтобы запустить процесс засыпания.
По современным представлениям регуляция сна – это сложный нейрогуморальный процесс, имеющий локализованный анатомический субстрат. Среди факторов, вызывающих сон выделяют:
Эндогенные факторы сна
Одним из мощных эндогенных регуляторов сна является открытый в 1958 году профессором Аароном Лернером (1920 — 2007) главный регулятор суточных ритмов – мелатонин.
Он вырабатывается эпифизом в ночное время. Причем и у дневных, и у ночных, и у сумеречных животных мелатонин вырабатывается только в темноте, то есть в ночное время и блокируется на свету. Его выработка целиком находится под контролем супрахиазматического ядра (СХЯ) гипоталамуса, небольшого скопления нервных клеток, представляющих собой наши «биологические часы».
Отношения между СХЯ и эпифизом реципрокные, а мелатонин начинает вырабатываться эпифизом примерно за час до отхода ко сну при неярком освещении. По современным представлениям считается, что мелатонин напрямую не регулирует сон, скорее он создает некую предрасположенность к отходу ко сну, реализуя седативный эффект. Поэтому прием мелатонина в качестве снотворного неэффективен.
Выработка мелатонина в течение суток. Источник: http://www.fit-health.ru/melatonin.html
Другим нейтротрансмиттером, играющим важную роль в регуляции сна является аденозин. Накапливаясь в организме в течение дня, аденозин, связываясь со своими рецепторами, запускает процессы сна и подавляет процессы бодрствования.
На этом принципе основано и психостимулирующее действие кофе. Кофеин имеет структурное сходство с молекулой аденозина и является антагонистом аденозиновых рецепторов А1 и А2 типа коры головного мозга и подкорковых структур. Связываясь с ними кофеин блокирует тормозное действие аденозина, что и приводит к повышению умственной и физической работоспособности.
Однако следует иметь в виду, что при длительном потреблении кофе, мозг отвечает выработкой большего количества аденозиновых рецепторов, что снижает эффект кофе. На практике нужно выпить больше кофе для достижения такого же эффекта. А вот резкая отмена кофе может привести к усиленному торможению в мозге с признаками утомления, сонливости, депрессии и т.д.
Молекула кофеина имеет структурное сходство с молекулой аденозина.
Представляет интерес и пептид дельта-сна (дельта-сон индуцирующий пептид). При введении этого вещества бодрствующим животным на их ЭЭГ появлялись дельта-волны. Однако его роль в регуляции процессов сна, равно как и его эндогенное существование, в последнее время все чаще подвергается сомнению. Ведь это единственный нейропептид, ген которого до сих пор не идентифицирован.
Двухкомпонентная модель регуляции сна
Однако самой актуальной и всемирно признанной на сегодняшний день теорией регуляции сна является предложенная в 1982 году швейцарским исследователем Александром Борбели (1939) двухкомпонентная модель регуляции сна, которая состоит из гомеостатического фактора (фактор S) и околосуточного или циркадного фактора (фактор C).
Гомеостатический фактор определяется балансом химический веществ в мозге, т.е. гомеостазом. Согласно этой модели, потребность во сне в определенный момент времени складывается из алгебраической суммы гомеостатической и циркадианной кривых. При этом длительность и интенсивность сна обусловлены гомеостатической составляющей; время нарастания «давления» сна определяется циркадианной составляющей и находится под контролем СХЯ. По этой модели видно, что чем дольше человек бодрствует, тем сильнее нарастает «давление» сна.
Двухкомпонентная модель регуляции сна А. Борбели.
В настоящее время эта модель дополнена третьим фактором – фактором U. Это ультрадианная компонента, определяющая циклическое чередование медленного и быстрого сна. С-процесс контролируется, главным образом, мелатонином, тогда как S-процесс – аденозином. В U-процессе важную роль играет ацетилхолин.