Говорят, что утро вечера мудренее. Это действительно так благодаря изменению соотношения норадреналина и ацетилхолина, сопровождающего фазы быстрого сна

Сомнолог Михаил Полуэктов о природе и функциях сна, внутренних часах и летаргическом энцефалите

Каждый день все живые существа на Земле погружаются в загадочное состояние, находясь в котором они не могут взаимодействовать друг с другом и отвечать на сигналы окружающей среды. Тем не менее это состояние оказывается необходимым для их жизни. Каким образом организуется состояние сна и какие мозговые системы задействованы в его инициации и поддержании, рассказывает сомнолог Михаил Полуэктов.

Почему мы видим сновидения, зачем нужен мелатонин и можно ли прожить без сна — узнайте из курса сомнолога Михаила Полуэктова «Наука сна». Бонус: вы научитесь высыпаться.

Продолжительность сна у животных

Сначала следует отметить, что состояние сна запрограммировано генетически. Мы не можем по своему желанию лишить себя сна, поскольку информация о необходимости спать каждые сутки была внедрена в геном еще задолго до появления человека и многих других современных животных. Какие именно гены регулируют продолжительность сна — непонятно. Пока известно только то, что продолжительность сна зависит от вида животного.

Диаграмма показывает, что больше всех спят бурые летучие мыши — около 20 часов в сутки. Меньше всех спят лошади — примерно 3 часа в сутки. Вверху находятся хищники, например лев, кошка; внизу — травоядные, которые действительно не могут позволить себе спать достаточно долго, чтобы не быть съеденными. В середине списка находятся всеядные, в том числе человек (на этом графике рекомендуемая продолжительность сна для человека составляет 8 часов).

Также мы знаем тех существ, что впадают в состояние, похожее на сон, которое сейчас определяется как эквивалент сна. Если несколько лет назад таким существом считался круглый червь, то сейчас состояние, похожее на сон, было обнаружено даже у медуз, кишечнополостных. У медузы Cassiopea andromeda («перевернутая медуза»), которая часто встречается в Средиземном море, фиксировались изменения цикла пульсации, связанные со временем суток. На графике видно, что в дневное время пульсации очень регулярные, а в ночное время они время от времени прерываются. Ученые считают, что прерывания пульсаций соответствуют состоянию сна у высших форм животных.

Сколько часов должен спать человек? 

Почти во всех опросах больших групп людей наиболее часто встречается оценка продолжительности сна около 8 часов. Например, в европейском опросе больше всего обследованных ответили, что они спят примерно 8 часов. Также много респондентов ответили, что они спят 7,5 часов, 8,5 часов. Складывается впечатление, что оптимальная продолжительность сна для человека находится в районе 8 часов. Скорее всего, она передается из поколения в поколение. Тем не менее человек может иногда пренебрегать своим сном и не иметь при этом каких-либо существенных последствий.

Последний зафиксированный в «Книге Гиннесса» рекорд нахождения без сна относится к 1963 году, когда 18-летний ученик средней школы Рэнди Гарднер бодрствовал в течение 11 суток. Но потом «Книга Гиннесса» отказалась фиксировать дальнейшие рекорды по лишению сна, поскольку ее организаторы предположили, что это будет вредно для здоровья и не стоит поощрять такого рода безрассудное поведение. Поэтому сейчас мы знаем только о максимальном 11-суточном периоде лишения сна, который не имел существенных последствий. Несмотря на то что Рэнди Гарднер в конце этого эксперимента выглядел не лучшим образом, он смог дать интервью по результатам своего опыта, потом проспал 16 часов и после этого был признан врачами совершенно здоровым.

То есть на короткое время человек может лишить себя сна. Но если речь идет о неделях и месяцах, то здесь уже такой подход не будет иметь успеха. При длительных периодах лишения сна, когда требуется сохранять достаточный уровень внимания и физической активности, требуется какое-то количество сна для обеспечения важнейших жизненных функций. Моделью для изучения длительного периода ограничения сна являются трансатлантические одиночные гонки: когда яхтсмен остается с водами Атлантики один на один, он очень мотивирован спать как можно меньше, чтобы прийти к финишу первым. Тем не менее он должен получать какое-то количество сна, чтобы все-таки иметь возможность правильно управлять лодкой. Оказалось, что, как ни старались спортсмены уменьшить количество своего сна, лучшие из них достигали времени только 4,8 часа.

В других экспериментах по установлению рекордов по пересечению Атлантики на гребных лодках спортсмены тоже использовали 5 часов сна, чтобы в течение длительного времени успевать грести и восстанавливать при этом силы. Таким образом, эксперименты показали, что существует базовое количество сна, необходимое для жизни, и оно составляет порядка 5 часов. Свыше 5 часов — это то количество сна, которое обеспечивает максимальную эффективность жизнедеятельности.

Структура сна

Гипнограмма представляет собой график сна — это временная развертка: минута за минутой мы записываем электроэнцефалограмму и по ней и ряду других показателей оцениваем, в какие временные периоды в каком состоянии находился мозг человека. На представленном графике видно, что большую часть времени человек проводит в фазе медленного сна, которая включает три стадии сна. 75% сна занято медленным, а 25% (на графике обозначено красной горизонтальной линией) занимает фаза быстрого сна: во время нее наблюдаются быстрые движения глазных яблок.

Фазы сна выполняют разную функцию. Фаза медленного сна необходима прежде всего для физического восстановления организма — у спортсменов после нагрузки увеличивается количество именно медленного сна. Считается, что в период медленного сна происходит восстановление запасов энергии, возобновление процесса роста, деления клеток. В процессе сна содержание аденозинтрифосфорной кислоты — главного источника энергии для клеточных процессов — увеличивается, и это происходит главным образом в фазе медленного сна. Кроме того, существует теория, что во время медленного сна оптимизируется управление внутренними органами, что, когда мы переходим в состояние медленного сна, наш мозг переключается на восприятие не внешней информации, а внутренней — это позволяет ему лучше управлять деятельностью внутренних органов и настраивать их на оптимальный режим работы. Это было доказано отечественным ученым Иваном Николаевичем Пигаревым. Он обнаружил, что активность нейронов зрительной коры кошки принципиально не изменяется в состоянии сна, после того как она заснула. 

На верхнем графике отражено, как ведут себя нейроны зрительной коры в бодрствовании, когда кошка что-то видит. А на нижнем графике мы видим, что примерно такая же активность наблюдается и во время сна в той же зоне мозга, когда у кошки глаза закрыты. Это значит, что мозг продолжает обрабатывать сигналы, но поступающие уже не из органов чувств, которые реагируют на внешние стимулы, а откуда-то изнутри, то есть таким образом можно отразить, например, динамику работы кишечника.

Фаза быстрого сна способствует восстановлению психических функций, психической адаптации. Если мы сталкиваемся с какой-то проблемой, не можем ее решить, то быстрого сна становится больше и мы чаще видим сновидения. Кроме того, в фазе быстрого сна происходят процессы запоминания некоторых действий, которые мы совершаем, — это так называемая процедурная память, которая хранит информацию, как делать то, что мы не осознаем, но бессознательно можем выполнять. Также происходит моделирование будущего: мозг примеряет различные варианты развития событий, и иногда сновидения бывают вещими, когда удается увидеть то, что случится потом. Но это происхоидт достаточно редко.

В фазе быстрого сна норадреналин, нейромедиатор бодрствования, почти не выделяется, но выделяется другой нейромедиатор — ацетилхолин, причем в бо?льшей концентрации, чем в состоянии бодрствования. Изменения соотношения норадреналина и ацетилхолина сопровождают очень важную функцию быстрого сна — уменьшение эмоционального компонента наших воспоминаний. Говорят, что утро вечера мудренее, и это действительно так. Вечером, когда мы собираемся ложиться спать, наш мозг переполнен информацией о произошедших событиях, мы очень волнуемся и не можем адекватно их оценивать. Но с каждым циклом быстрого сна эмоциональное окружение о произошедшем событии постепенно исчезает, и наутро мы получаем информацию о событии без дополнительной эмоциональной нагрузки и значительно легче воспринимаем то, что с нами происходило. И поэтому нам проще построить стратегию преодоления трудностей, если мы с ними столкнулись перед сном.

Регуляция циклов сна и бодрствования

В начале XX века австрийский невролог Константин фон Экономо изучил большое количество случаев, когда люди погибли от летаргического энцефалита — в то время, в годы Первой мировой войны, свирепствовала эпидемия летаргического энцефалита, и у Экономо было много поводов изучать мозг, вскрывая погибших. Он обнаружил, что люди, которые страдали перед смертью от избыточной сонливости, имели повреждения в области ствола головного мозга и заднего гипоталамуса, а люди, которые страдали, наоборот, от бессонницы перед смертью, имели повреждения в области переднего гипоталамуса. Экономо предположил, что там находятся центры, которые вызывают сонливость.

Позже, в 1949 году, американскими учеными Мэгуном и Моруцци была открыта ретикулярная активирующая система — это группа мозговых центров, которые отвечают за подбуживание мозга и не дают ему заснуть. В современной концепции вероятность наступления сна определяется взаимодействием центров сна, которые открыл фон Экономо, и ретикулярной активирующей системы. Эта модель называется «качели Сейпера» — по имени одного из исследователей сна Клиффорда Сейпера.

В борьбу между центрами бодрствования и центрами сна за контроль над мозгом включаются также внутренние часы. Когда вокруг нас светло, внутренние часы получают информацию об активном световом периоде и делятся ею с центрами бодрствования, помогая им удерживать главенство и не давать центрам сна погрузить мозг в сон. Как только вокруг нас темнеет, внутренние часы перестают помогать центрам бодрствования, и центры сна перехватывают управление мозгом. В том и другом случае выделяются специфические медиаторы, характерные для центров бодрствования и центров сна. Главным медиатором сна является гамма-аминомасляная кислота (ГАМК); также в генерации сна участвуют галанин, аденозин, мелатонин, интерлейкины, простагландин. А главными медиаторами бодрствования выступают ацетилхолин, норадреналин, а кроме того, серотонин, глутамат, гистамин, аспартат и гипокретин второго типа.

Сейчас очень большое внимание уделяется такому веществу, которое не является ни гормоном, ни нейромедиатором, — аденозину. Это вещество, которое выделяется по мере расщепления аденозинтрифосфорной кислоты: когда в клетке аденозинтрифосфорная кислота отдает свои фосфорные остатки, перенасыщенные энергетическими связями, в итоге остается молекула аденозина. И чем дольше организм функционирует, тем больше аденозина скапливается в клетке, а затем в межклеточном пространстве. Он соединяется со специфическими рецепторами и вызывает нарастание сонливости. Это видно на графике: чем дольше животное не спит, тем выше у него концентрация аденозина в межклеточной жидкости. Когда животное начинает спать, у него концентрация аденозина уменьшается.

Кроме того, важной системой, которая участвует в регуляции цикла сна и бодрствования, является орексиновая система. Она помогает другим мозговым системам противодействовать сну. В области гипоталамуса находится всего 10–20 тысяч нейронов, содержащих орексин, но воздействие этого вещества исключительно велико, поскольку зона, где вырабатывается орексин, связана почти со всеми ключевыми зонами мозга, которые отвечают за активацию, и, таким образом, орексин является активатором активаторов.

Современная модель показывает, какую роль играет орексиновая система. Главным центром сна является вентролатеральная преоптическая область. Когда она получает гомеостатические циркадианные сигналы о том, что уже пора спать, то подавляет другие центры бодрствования: туберомамиллярное ядро, голубое пятно, ядро шва и орексиновую систему. Таким образом вызывается сон.

Внутренние часы

Третий компонент центров сна и бодрствования — внутренние часы. Это супрахиазматическое ядро, которое находится над перекрестом зрительных нервов. Оно содержит 20 тысяч нейронов и управляет вторичным центром генерации биоритмов, шишковидным телом, эпифизом, который содержит значительно меньше нейронов и выделяет гормон мелатонин.

Согласно современной концепции, вероятность наступления сна определяется взаимодействием двух процессов: процесса ежесуточного изменения мозговой активности, который подчиняется работе внутренних часов, и процесса, связанного с нарастанием концентрации аденозина — чем дольше мы не спим, тем больше нам хочется спать. Вечером, когда концентрация аденозина оказывается высокой, а мозговая активность идет на спад, возникает возможность для засыпания, потому что разрыв между двумя процессами оказывается максимальным. Как только человек засыпает, концентрация аденозина начинает быстро снижаться. В то же время процесс мозговой активности, который подчиняется внутренним часам, проходит свой минимум и начинает идти на подъем. В какой-то момент возникают условия для пробуждения, поскольку свободного аденозина почти не осталось, а мозговая активность уже достигла определенного уровня.

Эта модель объясняет, почему никогда нельзя выспаться полностью после бессонной ночи. Мы можем увидеть, как выглядит взаимодействие этих двух процессов, если человек всю ночь не спал, а, например, работал. У него очень высокий уровень аденозина, но в то же время мозговая активность только начинает усиливаться, идет на подъем. Человек ложится спать. У него в это время ворота сна очень большие, и он легко засыпает. Но аденозин быстро начинает инактивироваться, а мозговая активность продолжает усиливаться. И ворота сна закрываются очень быстро, примерно через 4 часа. Любой, кто работал в ночную смену, согласится с этой моделью и с тем, что невозможно вернуть пропущенное время сна.

Функции сна

Сон является необходимым для жизни состоянием. Но какие именно жизненные функции восстанавливаются во время сна, еще полностью не известно. Мы знаем, что во время сна заряжаются клеточные аккумуляторы, увеличивается количество аденозинтрифосфорной кислоты в клетках мозга, происходят процессы деления клеток и роста организма (увеличивается секреция соматотропного гормона — гормона роста, примерно 80%, но именно в ночное время, во время сна).

Сейчас активно обсуждается роль сна в выводе лишних веществ, которые вырабатываются в процессе жизнедеятельности нервных клеток, — это тау-белок, бета-амилоид и ряд других субстанций. Было показано, что именно в состоянии сна межклеточное пространство увеличивается на 60%, и скорость удаления вредных веществ увеличивается также на 60%. Это важно для пожилых людей, чтобы не развивалась болезнь Альцгеймера, которая связана с накоплением лишних субстанций.

Еще одна очень важная функция сна, которая сейчас неплохо изучена, заключается в перераспределении связей между нервными клетками — это позволяет нейрону работать наиболее эффективно, затрачивать на поддержание связей меньше энергии. Например, утром некий нейрон поддерживает связи с двумя другими нейронами, и важность этих связей одинакова. В течение дня происходит обучение, появляется новая, но слабая связь. Одна из тех связей, что уже были, оказывается более важной, утверждается ее необходимость для нейрона, она получает больший рейтинг. Другая связь не подтверждает своей необходимости. Тем не менее общая нагрузка на нейрон возрастает. Если бы такая ситуация происходила каждый день в течение длительного времени, нейрон просто оброс бы избыточными связями и в какой-то момент потерял бы возможность их поддерживать. Поэтому нейрону необходимо каждый вечер и ночь переключаться на особый режим, когда он оценивает, насколько эти связи для него важны, и устраняет ненужные, а те связи, которые оказались необходимы для дальнейшей работы мозга, ранжирует по важности и перераспределяет. Та связь, которая подтвердила свою необходимость, остается устойчивой, а та, что оказалась не очень полезной, теряет свою важность, и поэтому на ее поддержание направляется меньше ресурсов клетки. Так происходит каждую ночь. Благодаря этому процессу нервная клетка может сколь угодно долго формировать связи в процессе обучения, потому что каждую ночь она их перераспределит.

Этой теории было найдено морфологическое подтверждение. В опытах на дрозофилах было показано, что если мушку содержать в условиях обогащенного бодрствования, когда на нее чем-то светили, предъявляли различные предметы, то у нее увеличивается количество синаптических связей в зоне мозга, которая отвечает на зрительное восприятие. После того как мушка поспала, у нее уменьшилось количество этих связей. Таким образом ученые подтвердили справедливость этой гипотетической модели.

Итак, состояние сна генетически запрограммировано, но мы не знаем, какими генами. Сон выполняет функции физического и психического восстановления организма, и состояние сна обеспечивается взаимодействием тормозных и активирующих мозговых систем. При этом активную роль играют внутренние часы.

Источник: postnauka.ru

Комментарии: