Орган который отвечает за сон
Нет необходимости в снотворных: ученые обнаружили область мозга, которая отвечает за глубину сна
Цепь нейронов, действующая по схеме «сон — содействие» расположен глубоко в примитивном мозгу и определяет вхождение организма в глубокий сон.
Область, обнаруженная исследователями Гарвардской школы медицины и Университета Буффало, является вторым «узлом сна», обнаруженным в мозгу млекопитающих, чья деятельность, как представляется, нуждается в достаточном количестве глубокого сна.
Опубликованные в журнале в Nature Neuroscience результаты исследования показывают, что не менее половины всей способствующей сну деятельности мозга происходит в парафасциальной зоне (ПЗ), расположенной в стволе головного мозга.
Ствола является изначальной частью мозга, которая регулирует основные функции, необходимые для выживания, такие как дыхание, кровяное давление, частота сердечных сокращений и температура тела.
«Тесная связь центра сна с другими критическими для жизни процессами подчеркивает эволюционную важность сна», — говорит Кэролайн Басс, доцент кафедры фармакологии и токсикологии в Гарвардской школе медицины и биомедицинских наук.
Исследователи обнаружили, что определенный тип нейронов в ПЗ влияет на нейромедиаторы гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК), ответственные за глубокий сон.
Они использовали набор инновационных инструментов для точного контроля этих нейронов, давая им возможность удаленно по желанию включать и выключать нейроны.
«Эти новые молекулярные методы открывают широкие возможности по контролю функций мозга на клеточном уровне», — утверждает один из авторов работы Кристель Анцелет. «До разработки этих инструментов мы часто использовали электрическую стимуляцию, чтобы активировать области мозга, но проблема в том, что стимулировать таким образом только лишь одну конкретную область не получалось».
«Чтобы получить точность, необходимую для этих экспериментов, мы ввели вирус в парафасциальную зону, влияющий только на рецепторы ГАМК нейронов, но не изменяли функции мозга», — объясняет Патрик Фуллер, доцент Гарвардского университета и ведущий автор научной работы. «Когда мы включили ГАМК нейроны в парафасциальной зоне, животные быстро впали в глубокий сон без использования седативных или снотворных препаратов».
Как эти нейроны взаимодействуют в мозге с другими областями, еще предстоит изучить, говорят исследователи, но в конечном итоге эти выводы могут привести в появлению новых лекарств для лечения расстройств сна, в том числе бессонницы, и развитию более совершенных и безопасных анестетиков.
«Мы обнаружили действительно важное явление в неврологии», — утверждает один из авторов работы Басс. — Теперь мы можем ответить на фундаментальные вопросы о функционировании мозга, которые традиционно были вне нашей досягаемости, в том числе почему сон — одна из наиболее живучих тайн в неврологии».
ПОДРОБНЕЕ В НАУЧНОЙ СТАТЬЕ:
Anaclet, Christelle; Ferrari, Loris; Arrigoni, Elda; Bass, Caroline E; Saper, Clifford B et al. (2014) The GABAergic parafacial zone is a medullary slow wave sleep-promoting center // Nature Publishing Group, a division of Macmillan Publishers Limited.
Приглашаем подписаться на наш канал в Яндекс Дзен
Сон и старение I: «Часы в мозге» и влияние генов на ритм жизни
Сон и старение I: «Часы в мозге» и влияние генов на ритм жизни
Эпифиз вырабатывает «гормон сна» мелатонин ночью, а солнечный свет тормозит его образование. Мелатонин — главный регулятор циркадных ритмов, управляющих распорядком дня человека.
Автор
Редакторы
Новая неделя, новый день, новый год. Время жизни разбито на отрывки разной длительности, и все эти отрывки повторяются. Каждые несколько часов нам хочется есть. Каждый вечер мы ложимся спать. Каждые четыре недели организм женщины вырабатывает яйцеклетку. Большинство процессов, происходящих с нашим телом, циклично, и одни циклы завязаны на другие. И хотя старение организма периодическим процессом не назовёшь (ведь никто не молодеет!), его ход напрямую зависит от биоритмов человека, в частности, от цикла сна и бодрствования. Доказательства этому находятся и на уровне поведения, и на уровне отдельных органов, клеток и генов.
Старение и долголетие
Цикл статей, задуманных в рамках спецпроекта «биомолекулы» для фонда «Наука за продление жизни».
В этом цикле рассмотрим общие проблемы старения клеток и организмов, научные подходы к долголетию и продлению здоровой жизни, связь сна и старения, питания и продолжительности жизни (обратимся к нутригеномике), расскажем про организмы с пренебрежимым старением, осветим темы (эпи)генетики старения и анабиоза.
Конечно, феномен старения настолько сложен, что пока рано говорить о радикальных успехах в борьбе с ним и даже о четком понимании его причин и механизмов. Но мы постараемся подобрать наиболее интересную и серьёзную информацию о нащупанных связях, модельных объектах, разрабатываемых и уже доступных технологиях коррекции возрастзависимых нарушений.
Краткое содержание спецпроекта освещено в видеоролике «Стареть или не стареть? // Всё как у зверей». Подробности же узнаете из наших статей.
Следите за обновлениями!
Часы в мозге
Как показывает практика, механизмы смены сна и бодрствования можно объяснить даже детям — «„Проснись!“ — „Усни. “ — „Проснись!“ — „Усни. “ — „Проснись!“» [1]. — Ред.
У дрозофил нашли подобие «гена сна», что описано в статье «Бессонные ночи дрозофилы» [2]. Чисто теоретически это может привести к тому, что потребностью во сне можно будет управлять, но вряд ли мы это когда-то увидим. — Ред.
Есть предположение, что изначально (много миллионов лет назад) циркадные ритмы помогали организмам не умирать от кислорода, которого в тот момент в атмосфере стало аномально много для тогдашних обитателей планеты — «Прообраз биологических часов» [3]. — Ред.
Рисунок 1. Влияние супрахиазматического ядра гипоталамуса на работу различных клеток организма. Функционирование клеток всех типов тканей подчиняется центральному ритму, который задаёт супрахиазматическое ядро гипоталамуса. Оно «следит» за тем, чтобы сигналы от нервной и эндокринной систем приходили к клеткам в одно и то же время — фактически, синхронизирует их. Кстати, то же можно сделать и вне организма: выращивая в культурах несколько образцов различных тканей человека, можно эти культуры синхронизировать, если имитировать сигналы SCN. Такая синхронизация активности культур различных типов клеток одного и того же человека представлена на графиках.
В ходе исследований посмертных срезов мозга здоровых пожилых людей выяснилось, что с возрастом нейроны SCN дегенерируют. Изменяется и структура LC. Кроме того, активность лобных долей коры значительно падает с возрастом (и степень снижения этой активности напрямую отражается на интеллекте), что показано в исследованиях фМРТ [4]. Всё это приводит к тому, что со временем у людей исчезают острые пики активности при бодрствовании. То есть пожилые, конечно, бодрствуют, но внимательность и скорость мышления у них не так хороши, как раньше. Вероятно, причина этого — постепенное ухудшение работы мозговых регуляторов сна и бодрствования.
У пожилых по сравнению с молодыми эффективность сна снижена. С этим может быть связана старческая сонливость, возникающая даже тогда, когда человек определённо выспался. Судя по всему, возрастное падение качества сна не вызвано какими-то конкретными патологиями, это просто часть обычного процесса старения. Впрочем, так ли неизбежно само старение, вопрос.
Кроме того, старые хуже переносят вынужденный пропуск сна. Это показали эксперименты, в ходе которых 12 мужчин возрастом 21–31 год и 11 мужчин возрастом 61–70 лет не спали 40 часов (рис. 2). У пожилых субъективное ощущение сонливости было сильнее, чем у молодых, да и внимание из-за недосыпа падало заметнее [5].
Другой эксперимент с такой же длительностью провели в 2005 году [6]. Его результаты тоже представлены на рисунке 2 (закрашенные серым области). В нём двум группам участников-мужчин (опять пожилым и молодым) нужно было в течение 40 часов то спать по 75 минут, то бодрствовать по 150 минут, притом делать это по расписанию. Такой искусственный режим должен был выявить, насколько сон у людей одной возрастной группы более эффективен, чем у испытуемых из другой группы. Нетрудно догадаться, что молодые во время эксперимента и после него чувствовали себя лучше, чем пожилые, потому что лучше высыпались.
Рисунок 2. Субъективное восприятие качества сна и бодрствования у молодых и пожилых мужчин во время 40-часового эксперимента по лишению сна [5], а также эффективность сна во время эксперимента с множеством эпизодов сна [6]. Пожилые раньше начинают чувствовать сонливость, и субъективно она проявляется сильнее (тёмно-серая линия). Молодые более устойчивы к депривации сна (светло-серая линия). Кроме того, субъективно сон молодых (светло-серые закрашенные области) более эффективен, чем сон пожилых (тёмно-серые закрашенные области).
«Гены циркадных ритмов» и старение
Работа любого органа — это, в конечном счёте, работа его генов. Наши «внутренние часы» — не исключение. В супрахиазматическом ядре экспрессируется ряд генов, малоактивных в других частях мозга и тела вообще. Среди таких генов BMAL1 (он же MOP3 и ARNT3), CLOCK и NPAS2 [7], [8]. Эти гены были выявлены в исследованиях с помощью нокаутных мышей — таких, которым методами генной инженерии нарушили работу одного или нескольких генов.
Как правило, продолжительность жизни у грызунов с одним или несколькими выключенными «генами периодичности» снижена. В частности, мыши с неработающим BMAL1 живут меньше своих собратьев. Под конец жизни у них проявляются все характерные признаки старения: их органы уменьшаются в размерах, теряется мышечная масса и подкожный жир, развивается старческая катаракта, повышается содержание активных форм кислорода в тканях [9]. При постоянной нехватке белков BMAL1 и CLOCK ухудшается память, снижается интеллект: животные хуже обучаются и быстрее забывают новую информацию [10].
BMAL1 и CLOCK действуют по-разному: если «выключить» работу гена CLOCK, не затрагивая BMAL1, жизнь мышей претерпевает менее глобальные изменения. Средний срок жизни грызунов без CLOCK на 15% короче, чем у животных дикого типа, а преждевременное старение проявляется у них только в изменении структуры кожи и развитии катаракты [11].
Вот один из примеров связи циркадных ритмов с обменом веществ в целом: «Найдена связь между обменом веществ и циркадным ритмом» [12].
Рисунок 3. Примеры проявлений старения на клеточном уровне. Подробное объяснение этих проявлений дано ниже в тексте в виде нумерованного списка.
Исследования обычно проводятся на больших группах животных, и данные по этим животным усредняются. Но мы-то помним, что каждый организм имеет свой уникальный геном, и от того, как гены в его составе взаимодействуют между собой, зависит очень многое. У двух мышей может быть нарушена работа одного и того же CLOCK, но на уровне отдельных органов и организма в целом это нарушение проявится у них совершенно по-разному. Да даже если с вариантами генов всё в порядке, два организма не будут стариться одинаково. Дело в том, что роль в силе и характере изменений сна с возрастом играет и генотип конкретного организма. Это было подтверждено исследованиями на мышах [23], [24], в которых качество сна грызунов оценивали по элетроэнцефалограммам, а также смотрели, как с возрастом у этих грызунов ухудшается зрение.
У грызунов линии C57BL/6 чаще других с возрастом развивается катаракта, а значит, почти пропадает зрение. Видимо, поэтому под старость (в возрасте примерно год) эти сумеречные животные всё более активны в светлое время суток и всё менее активны в темноте. Кроме того, пожилые C57BL/6 бодрствуют дольше остальных, а AKR/J дольше всех спят. Больше всего времени в стадии REM-сна проводят мыши линии DBA/2J, а меньше всего — AKR/J. Если годовалым мышам этих трёх линий некоторое время мешать спать, а потом дать им возможность выспаться, то быстрее всех к своему обычному режиму возвращаются грызуны C57BL/6.
Сон и метаболизм
Мы выяснили, как нарушение работы «генов циркадных ритмов» влияет на состояние отдельных клеток. А как на них действует нарушения сна, столь частые в преклонном возрасте?
Хотя сон считается временем покоя, во время сна очищение нейронов от «отработанных» продуктов обмена веществ происходит быстрее, чем при бодрствовании [26]. Кстати, ночью очищается не только нервная система. Во время сна также усиливается или ослабевает экспрессия ряда генов. В тканях лёгких экспрессия 3% генов различается во сне и при бодрствовании. В тканях сердца таких «сон-зависимых» генов 6%. Во время сна содержание маркеров клеточного стресса в тканях лёгких, сердца и мозга снижено [27].
Возможно, одна из функций сна — избавление организма от отработанных метаболитов и общее восстановление клеток после стресса. Если это предположение окажется верным, оно сможет объяснить некоторые факты. Например, известно, что независимо от национальности у женщин 46–57 лет, имеющих частые жалобы на качество сна, особенно высок риск метаболического синдрома [28]. Впрочем, последнее может быть связано с тем, что в дополнительные часы бодрствования эти женщины едят [29]. А значит, они потребляют больше калорий в сутки, чем женщины без проблем со сном. В пользу этой гипотезы свидетельствует то, что экспериментальное нарушение сна не вызывало у крыс метаболического синдрома [30].
По данным эпидемиологических исследований, депривация (ограничение времени) сна повышает вероятность дислипидемии, диабета 2 типа и нетолерантности к глюкозе (таб. 1).
| Первый автор статьи, ссылка | Год | Число участников | Продолжительность исследования | Результаты |
|---|---|---|---|---|
| Chaput et al. [32] | 2007 | 740 | 3 года | Регулярный сон длительностью менее 6 часов вызывает нарушение толерантности к глюкозе. |
| Mallon et al. [33] | 2005 | 2663 | 12 лет | У мужчин частые пробуждения и короткий сон связаны с повышенной вероятностью диабета. |
| Nilsson et al. [34] | 2004 | 6599 | 14,8 ± 2,4 года | Нарушения сна повышают риск развития диабета. |
| Tuomilehto et al. [35] | 2008 | 2800 | 2 года | Слишком короткий (≤6 ч) или слишком длинный (≥8ч) сон повышают вероятность развития диабета 2 типа у женщин среднего возраста. У мужчин аналогичного эффекта не нашли. |
| Meisinger et al. [36] | 2005 | 8300 | 11 лет | У людей обоих полов сложности с поддержанием сна (частые просыпания и т.п.) повышают риск развития диабета 2 типа. |
| Hayashino et al. [37] | 2007 | 6509 | 6 лет | У взрослых без серьёзных проблем со здоровьем нарушения засыпания связаны с повышенным риском диабета. |
| Kawakami et al. [38] | 2004 | 2649 | 8 лет | Нарушения сна связаны с повышением риска диабета в 2-3 раза. |
| Choi et al. [39] | 2008 | 4222 | 1 год | И слишком короткий, и слишком длинный сон ассоциируются с повышенным риском метаболического синдрома. |
| Gangwisch et al. [40] | 2007 | 8992 | 10 лет | Кратковременный сон может быть важным фактором риска диабета. |
| Xu et al. [41] | 2010 | 10143 | 10 лет | Короткий ночной сон и частый дневной сон связаны с проявлением диабета. |
| Rafalson et al. [42] | 2010 | 1455 | 6 лет | Короткий ночной сон связан с нарушением содержания глюкозы в крови натощак, вызванным резистентностью к инсулину. |
| Yaggi et al. [43] | 2006 | 1709 | 18 лет | И слишком короткий, и слишком длинный сон повышают риск развития диабета. |
| Hall et al. [44] | 2008 | 1214 | Одномоментное исследование | Продолжительность сна связана со степенью риска метаболического синдрома. |
| Facco et al. [45] | 2010 | 189 | В течение беременности | Малая продолжительность сна связана с нарушением толерантности к глюкозе во время беременности. |
| Qui et al. [46] | 2010 | 1290 | В течение беременности | Гестационный диабет (диабет беременных) и нарушение толерантности к глюкозе чаще развиваются у тех, кто мало спит. |
Помимо нарушений метаболизма, ошибок репликации и повышенным по сравнению с нормой процентом гибнущих клеток [30], депривация сна может повлечь за собой негативные последствия для иммунной системы. У пациентов с постоянным недосыпом днём в крови повышается содержание маркеров воспаления — фактора некроза опухолей (TNF), интерлейкинов 1 и 6, а также кортизола [31], [47]. А ведь воспаление идёт рука об руку с повышенным риском множества заболеваний, начиная от инсульта и заканчивая болезнью Альцгеймера. Например, при последней клетки микроглии (это макрофаги в мозге) выделяют заметные количества интерлейкинов 12 и 23 — одних из важнейших сигналов воспаления. В норме этого, разумеется, не происходит, ведь ни болезни Альцгеймера, ни воспаления нет. Судя по всему, команду микроглии вырабатывать факторы воспаления даёт сам бета-амилоид. Далее, при болезни Альцгеймера астроциты (разновидность глиальных клеток, питают и поддерживают нейроны, направляют их рост у зародышей) становятся восприимчивыми к IL-12 и IL-23 (опять же, в норме такого не наблюдается.) Отложения бета-амилоида увеличиваются в размерах, клеток астроглии становится всё больше, а нейронов рядом с ними — всё меньше [48]. Если снизить выработку IL-12 и IL-23 в клетках глии, патология замедлит своё развитие.
Во взаимосвязях воспаления, выделения интерлейкинов и работы астроцитов при болезни Альцгеймера ещё предстоит разобраться, но уже сейчас ясно, что такие взаимосвязи существуют. На самом деле, подобных корреляций выявили уже немало. А о связи нарушений сна и различных заболеваний (нервных, и не только) будет отдельная статья.
Определены участки мозга человека, ответственные за сон
Объединенная команда ученых из США, Италии и Швейцарии на днях опубликовала результаты работы по изучению активности головного мозга человека во время сна с целью определения участков, которые отвечают за разные фазы сна и сновидения. Как оказалось, сном «руководит» не один и не два участка мозга, все немного сложнее. Интересно, что специалисты до сих пор обсуждают само понятие сна, пытаясь понять, зачем он вообще нужен.
Исследование, о котором идет речь, проливает немного света на эту проблему. Долгое время считалось, что человек видит сны только во время БДГ-фазы сна (быстрое движение глаз). В это время отмечается активная работа мозга, схожая с работой мозга бодрствующего человека. В то же время, ряд специалистов отмечает, что сны люди видят и в спокойной фазе. «Это настоящая загадка, когда человек может видеть сон в обеих фазах сна или не видеть снов вообще», — говорит Франческа Сиклари, один из авторов работы о снах.
Сейчас эта головоломка разгадана учеными. Оказалось, в частности, что человек видит во сне лица тогда, когда активизируется участок мозга, ответственный за распознавание лиц людей и формирование визуальных образов. Сны с пространственным восприятием, движениями и обдумыванием чего-либо проявляются во время активирования участков мозга, которые отвечают в период бодрствования за, соответственно, ощущение пространства, двигательную активность и мыслительный процесс.
«Это доказательство того факта, что сон — это активность, которую человек ведет во время сна». — «Возможно, спящий мозг и бодрствующий мозг схожи гораздо больше в плане активности, чем кто-либо мог вообразить, поскольку и в том, и в другом случае задействуются одни и те же области».
Ученые, которые провели это исследование, утверждают, что их работа имеет большое значение. Они уверены в том, что исследование может, наконец, помочь разгадать загадку о том, что такое сны и какова природа сознания человека. «Важность этой статьи поражает», — говорит Марк Благроув, руководитель лаборатории сна в Университете Сванси, комментируя опубликованный в Nature отчет своих коллег. Благроув и сам принимает активное участие в исследовании. — «Это можно сравнить с открытием БДГ-фазы, в некотором смысле текущее исследование даже более важное».
Сама работа основана на наблюдениях за сном и бодрствованием 46 добровольцев. Электрическая активность мозга всех участников эксперимента записывалась во время сна. Речь идет о снятии энцефалограммы, неинвазивного способа мониторинга работы головного мозга. На голову пациента надевается специальная сетка с 256 электродами, которые позволяют наблюдать за динамикой электрического поля различных участков головного мозга человека.
Добровольцам приходилось просыпаться в разное время ночью (ученые будили своих подопечных) и рассказывать о том, что им приснилось или, наоборот, не приснилось. О масштабах проведенной работы и сложностях, с которыми столкнулись участники экспериментов, можно судить по заявлению Сиклари: «За время эксперимента мы будили участников около 1000 раз». Речь идет о пробуждениях всех участников проекта, а не каждого из них, но все равно, просыпаться в разное время ночью не слишком приятно.
Если доброволец говорил, что видел сон, его расспрашивали о деталях, включая продолжительность сна, объекты и людей, которых человек видел, возможных движениях и всех прочих подробностях, которые могут быть важными.
Изучение электроэнцефалограммы участников эксперимента показало, что сон связан с падением низкочастотной активностью мозга, определенного его участка, получившего название «горячая задняя кортикальная зона». Этот участок в период бодрствования отвечает за визуальные образы и их интеграцию.
Источник: Simon Frazer/SPL/Getty Images
Кроме того, ученые внимательно анализировали изменения в высокочастотной активности мозга, обнаружив, что изменения этой активности приводят к появлению снов и вне БДГ-фазы. После этого специалисты определили участок мозга, который отвечает за запоминание снов. Оказалось, что этот же участок частично отвечает за появление самих сновидений.
В результате ученые получили возможность снимать «отпечаток» сновидений со спящего мозга. А это, в свою очередь, позволило научиться понимать, видит ли сны спящий человек. Точность предсказаний составила 87%. Конечно, для этого снова понадобилось будить спящих добровольцев, спрашивая их, видели ли они сны в момент пробуждения.
Кроме самих сновидений, исследование ставит своей целью прояснить природу сознания человека. Кстати, в той же «Википедии» говорится о сне следующее: «Сон — особое состояние сознания человека и животных, включающее в себя ряд стадий, закономерно повторяющихся в течение ночи (при нормальном суточном графике). Появление этих стадий обусловлено активностью различных структур мозга». Ученые предполагают, что для появления сновидений, то есть для периода, когда человек находится в некоем подобии сознания, необходимо сочетание ряда факторов работы мозга — десятков, если не сотен. Аналогичное сочетание требуется и для периода бодрствования.
Возможно, результаты исследования помогут изучить некоторые аспекты памяти человека, а в будущем — выяснить, какие зоны можно стимулировать для получения тех либо иных ощущений.