Изменения в физиологических процессах.

Сну сопутствуют определенные физиологические изменения. В связи с тем, что практически каждая функция тела изменяется в той или иной степени во время сна, в этом обзоре будет рассмотрена лишь малая часть таких изменений. Мы будем придерживаться тех критериев, которые имеют больше отношение к клинике, которые могут повлечь за собой расстройства сна у полностью здорового человека.

Центральная нервная система. Нейроны в самых разных участках мозга испытывают изменения в своей деятельности в зависимости от конкретной стадии сна или бодрствования. Во время NREM-сна средняя активность нейронов головного мозга снижена. Во время “тонического” REM-сна, доля активных нейронов намного больше, чем во время NREM-сна или бодрствования. Этот высокий КПД нейронов во время REM-сна опровергает старую гипотезу о том, что мозг отдыхает во время сна. Некоторые системы, в частности зрительная, показывают очень большое увеличение нейронной активности по фазовой амплитуде во время REM-сна. Соответственно, в периоды NREM-сна, общий метаболизм (химический и гормональный взаимообмен) мозговой ткани в среднем уменьшен в большинстве отделов мозга.

Вегетативная нервная система. В связи с тем, что вегетативная нервная система функционирует без осознательного контроля, понятно что эта система очень важна для спящего организма. Некоторые сводные данные хорошо иллюстрируют эту важную функцию вегетативной нервной системы во время сна (Рис. 6).

Рис.6. Активность автономной нервной системы во время сна.

Во время NREM-сна симпатическая активность остается примерно такой же, как и во время расслабления в бодрствующем состоянии, а парасимпатическая активность увеличивается. Это влечет слабое преобладание парасимпатической активности над симпатической. Во время тонического REM-сна дисбаланс еще больше увеличивается в сторону парасимпатической системы. Это происходит не из-за увеличения парасимпатического вклада, а за счет уменьшения симпатических реакций в состоянии NREM-сна. Во время фазового REM-сна активность и симпатической, и парасимпатической систем увеличивается (это похоже на одновременное нажатие на педали акселератора и тормоза). Неустойчивые дисбалансы этих автономных систем обычно всеже влекут к небольшому доминированию симпатической активности.

Сердечно-сосудистая система. При переходе из расслабленного бодрствования в NREM-сон сосудистое кровяное давление имеет тенденцию к небольшому понижению и мало подвержена изменениям. Во время тонического REM-сна кровяное давление остается на том же уровне. С другой стороны, во время фазового REM-сна кровяное давление в может сильно скакать и может иногда увеличиваться на 40 мм ртутного столба, что примерно на 30% превышает уровень обычное спокойное состояние. Во время NREM-сна по сравнению с расслабленным бодрствованием, объемное содержимое сердца уменьшено и остается примерно таким же и во время REM-сна. Во время NREM-сна активизируется процесс вазодилатации сосудов, который обеспечивает явление сопротивления при движении крови в сосудах. Большинство сосудов остаются открытыми во время тонического REM-сна, за исключением сосудов в скелетных (бороздчатых) мышц, которые заметно сужаются (вазоконстрикция). Такое сужение распространяется по всей кровеносной системе во время фазового REM-сна, что, возможно и является механизмом, который значительно увеличивает целиком все кровяное давление во время этой стадии.

Изучения черепно-мозговых кровяных потоков, проведенные на кошках, показали, что лишь некоторые участки мозга получают заметный приток крови во время NREM-сна в сравнении с расслабленным бодрствованием (релаксацией). В среднем же увеличение кровоснабжения не слишком большое. С другой стороны, во время же тонического REM-сна, сильно увеличивается кровоснабжение большей части мозга. Это тотальное увеличение охватывает более 50% по сравнению с уровнем в состоянии бодрствования, а в целом составляет около 200%. Во время фазового REM-сна происходят кратковременные увеличения кровоснабжения большинства участков мозга. Точные измерения тут затруднены, так как эти периоды слишком коротки. Во время NREM-сна температура мозга в среднем меньше, чем во время бодрствования, а во время REM-сна несколько больше чем при пробуждении. Эти изменения в температуре мозга имеют явную зависимость с температурой крови, омывающей мозг, хотя его температура всегда несколько выше (на 0,2° – 0,6°C).

Дыхательная система. С началом NREM-сна сразу же происходят заметные изменения в дыхательной системе (Рис. 7). Сон снижает не только связанную с поведенческой активность дыхательного аппарата (например, его использование для речи), но и связанной с регулированием дыхания через кору мозга, которое постоянно стимулирует дыхание в бодром состоянии, в автоматическом режиме. Помимо этого, снижение тонуса скелетных мышц, сопутствующее сну, расслабляет главную мышцу верхних дыхательных путей (дилятатор). За счет этого сопротивление движению потоков воздуха увеличивается. Два этих связанных со сном явления – потеря контроля и регулировки дыхания в бодрствующем состоянии и уменьшение активности мышц, ответственных за поддержку дыхательных путей в глотке открытыми – влекут к уменьшению вентиляции легких во время сна. Результатом является то, что во время NREM-сна минутный оборот воздуха снижается на 13%-15%. Соответственно, снижается вентиляция легочных альвеол, из-за этого парциальное давление углекислого газа (PCO2) увеличивается, а кислорода (PO2) – уменьшается.

Рис. 7. Типичные характеристики дыхания в NREM и REM стадиях сна.

V - объем вентиляции легких (в мл), полученный из пневмотахографа прикрепленного к лицевой маске; CO2 - концентрация углекислого газа (в %) в маске;

O2 - уровень кислорода (в %) в маске.

Во время NREM-сна, дыхание происходит в автоматическом режиме и обычно очень ритмично, будучи исключительно под контролем автономных химических и механических процессов. Дыхание в основном зависимо от уровня СО2 в артериальной крови, настолько что при снижении до CO2 до определенного нижнего порога концентрации, дыхание прекращается. Во время перехода от бодрствования ко сну, из-за беспорядочных колебаний около уровня «алертности» и изменений количества СО2 во сне и бодрствовании, ритм дыхания становится периодичным с регулярными пиками колебаний амплитуды. Эти пики становятся меньше, то есть они становятся менее явными по мере вхождения в сон.

Во время REM-сна, дыхание становится относительно свободным от контроля за химических процессами через обратную связь. Оно начинает зависеть от более глубокого механизма работы коры мозга, таким образом дыхание во время REM-сна может быть и непостоянным процессом. Наибольший уровень изменчивости дыхания проявляется во время фазовых периодов REM-сна.

Сон изменяет не только типовой вид дневного дыхания, но и дыхательную реакцию как ко внешним так и внутренним раздражителям. Гипоксическая дыхательная реакция у мужчин снижается уже в периоде NREM-сна, в сравнении от бодрствования, и показывает снижается дальше в REM-фазе. У женщин, нет явного изменения при переходе из бодрствования в NREM-сон, возможно по причине более низкого уровня активности гипоксической дыхательной реакции, чем у мужчин. Гиперкапническая дыхательная реакция также падает во время сна у взрослых, примерно на 50% во время NREM-сна в отличии от бодрствовующего состояния.

Со снижением мышечного напряжения, происходящего во время REM-сна, в два раза увеличивается и сопротивление в верхних дыхательных путях, в отличии от прохождения воздуха в нормальном состоянии бодрствования. У тех кто храпит, по-видимому из-за анатомического изменения верхних дыхательных путей, сопротивление в дыхательных путях может увеличиваться в 10 раз. У определенных категорий людей такое сопротивление во время сна становится постоянным и вентиляция почти прекращается не смотря на постоянные дыхательные усилия; это приводит к синдрому обструктивного апноэ сна.

Также существуют и другие дыхательные реакции, которые изменяются во время сна. Например, сон подавляет реакцию пробуждения в связи с бронхиальным раздражением. Кашель у пациентов с болезнью легких, во сне подавляется - они должны проснуться чтобы прокашляться. Реакция пробуждения от гипоксии уже сама по себе слабая, хотя гиперкапния является сильным пробуждающим раздражителем, что приводит к пробуждению большинства людей при достижении уровня концентрации pСО2 до 15 мм.

В итоге, изменения в дыхательном процессе связанные со сном, довольно непосредственны и важны. Они могут привести во сне к гипоксемии, у некоторых вызывать апноэ и даже смерть. Помните, вы должны дышать чтобы жить!

Эндокринная активность. В общих словах, эндокрины служат для поддержания гомеостатического баланса организма. Они стимулируют рост тканей, сексуальное развитие, растворения солей, реакцию на стресс и так далее. Секреции некоторых эндокринных систем напрямую связаны с процессами сна, тогда как секреции других эндокринных систем связаны с циркадными факторами, не обязательно с сонными процессами (см. Главу 7::Временное регулирование сна и бодрствования).

Секреция гормона роста у людей напрямую связан со сном (рис. 8 ). Если сон происходит до или после обычного времени, всплески гормональной секреции для роста опережают либо отстают от первой стадии сна. Рост гормонов связанных со сном не наблюдается только у младенцев до трех месяцев. У детей старшего возраста, в начальной стадии половой зрелости, фактически весь рост гормональной секреции происходит именно во сне. В возрасте половой зрелости идет усиленный рост секреции гормона роста, связанной со сном, хотя и может быть несколько незначительных эпизодов роста гормональной секреции и во время бодрствования. С возрастом, эта связь между сном и гормонами роста снижается или прекращается вовсе. Таким образом, относительно тесные гормональные зависимости в событиях которые происходят в раннем периоде жизни, при наступлении старости уменьшаются, либо теряются.

Рис.8. Гормоны, тесно связанные со сном.

Секреция пролактина растет во время сна, начиная примерно с 30 до 90 минут после начала сна (рис. 8 ). Максимальные уровни достигаются ранним утром. Также как и для гормонов роста, выделение пролактина связано со сном (хотя его секреция не зависит от роста гормональной секреции). На пример, пролактин выделяется во время послеобеденных снов; если сон отложен, выделение пролактина тоже останавливается, до тех пор пока не будет сна. Уровень секреции пролактина сильно увеличивается во время беременности, выделяясь во время сна. Связь между выделением пролактина и сном начинает проявляться с началом половой зрелости и существует до старости.

Выделение гормона щитовидной железы тиеротропина происходит иначе. Оно достигает пика вечером каждого дня, а затем уменьшается на протяжении периода сна.

У детей в пубертатном возрасте (в начале полового созревания), а так же у тех, кто приближается к половой зрелости, выделение гонадотропина, лютеинизирующего гормона и фолликулостимулирующиего гормона происходит во время сна. Лютеинизирующий гормон выделяется с началом сна и прекращается во время бодрствования. Выделения этого гормона во сне и является первым знаком начала полового созревания. Некоторые считают его событием, которое инициирует половую зрелость. Так же во сне начинают происходить выделения фолликулостимулирующего гормона. Исследования, в которых периоды сна и бодрствования были смещены по времени наоборот, показали, что выделение гонадотропина в пубертатном возрасте следует за сном и, следовательно, тоже напрямую связано с ним. У взрослых такая зависимость выделения лютеинизирующего гормона от сна уже отсутствует, хотя уровень тестостерона у мужчин продолжает быть наивысшим во время сна. У пожилых людей отсутствует и эта зависимость.

Самые высокие уровни кортизола в плазме крови, наблюдаются близко к окончанию сна или сразу после пробуждения. Когда уровни кортизола исследовали в условиях изменений времени начала сна, выяснилось, что наступление сна вне зависимости от времени, имеет тормозящий эффект на выделение кортизола.

Выделение мелатонина из эпифиза следует суточному ритму, который определяется светом, а не сном (см. Главу 7::Временная регуляция сна и бодрствования). У людей мелатонин выделяется ночью, так же, как и у ночных млекопитающих. Дневной сон не усиливает выделение мелатонина, а бодрствование ночью не ослабляет его. Его уровень зависит от только от света и изменяется медленно – в течение 10-12 дней при изменениях времени светового дня.

Выявлено, что рецепторы мелатонина находящиеся в гипоталамусе, организованы в сложную систему, регулирующую смену и поддержание режимов сна и бодрствования у млекопитающих. Предполагается, что мелатонин действует как своего рода преобразователь сигнала “свет”/”темнота” (см. Главу 7::Временная регуляция сна и бодрствования). Сезонно-годовая информация, воспроизводимая этой системой имеет тоже важное действие на репродуктивную систему у многих млекопитающих, хотя у людей аналога этой функции не обнаружено. Недавно учеными было обнаружено, что изменяя уровень мелатонина можно искусственно вызывать сонливость и оказывать слабое влияние на сон, хотя нет свидетельств, что выделение мелатонина в процессе сна обязательно.

Активность почек. Многие изменения, связанные со сном, влияют на функционирование почек. Сюда относятся, в том числе, увеличение уровня альдостерона, и увеличение выделения пролактина, который, как считают некоторые ученые, необходим для действия альдостерона. Во время сна увеличено количество выделений гормонов паращитовидной железы, что влияет на процессы выведение кальция из организма. Вообще, в течение сна уменьшаются много разных уровней выделений гормонов и размеры из организма натрия, хлорида, калия и кальция. Во время NREM-сна образуется заметно меньшее количество мочи, чем во время бодрствования, но зато более концентрированной. Во время REM-сна образование мочи еще более замедленно и концентрируется еще больше.

Пищеварительная активность. Существует несколько интересных связей между сном и пищеварительной системой. У людей с нормальной работой пищеварительной системы, секреция желудочной кислоты уменьшается во время сна, а у людей с язвой двенадцатиперстной кишки секреция во время увеличена в разы (от трех до двадцати от обычного количества). Эта повышенная секреция не имеет отношения к фазе или состоянию сна. Во сне глотание происходит с меньшей частотой, и подвижность пищевода в это время так же уменьшается.

Половая активность. Активация работы половых органов во время сна – обычное явление, как среди мужчин, так и среди женщин. У женщин вагинальный приток крови определялся с помощью измерения теплопроводности. У мужчин, как правило, измерение связано с размещением двух эластичных кольцеобразных ртутных тензометров на пенисе, один у основания и второй – на конце. Измеритель давления фиксирует изменения в диаметре пениса, возникающие при приливе крови к половому члену. Оба типа измерений записывались на полисомнографе параллельно с электроэнцефалограммой, и электромиограммой. Именно таким способом изменения в вагинальном притоке крови или диаметра пениса были сопоставлены в соответствие различным стадиям сна и бодрствования.

Исследования среди здоровых лиц мужского пола от 3 до 79 лет показали, что приток крови к половому члену во время REM-сна происходит у всех. Набухание происходит во время периодов REM-сна, хотя и не ограничиваются ими, особенно у подростков (Рис. 9). Процент времени возбужденного состояния от общего времени REM-периодов достигает пика в среднем подростковом возрасте. Некоторые исследования, проведенные среди женщин выявили сходную закономерность между сексуальным возбуждением и REM-сном, хотя эта связь не является такой же сильной, как у мужчин.

Рис.9. Ночной цикл возбуждения пениса у здорового молодого человека Пять REM-периодов и соответствующие максимумы эрекции. Верхний график изображает EEG (электроэнцефалограмму) стадий сна во времени (9 часов). Нижний график изображает диаметр полового члена, измеренный тензометром. Полное напряжение соответствует диаметру в 3 см. Общее время REM-сна - 2ч15м или 25% от общего времени сна.

В ранних исследованиях возбуждения полового члена во время сна пытались выявить связь с содержанием сна. Однако выяснилось, что эрекция происходит во время REM-сна вне зависимости от того, является ли содержание сна сексуально окрашенным или нет.

Существуют свидетельства, что эякуляция во время REM-сна («мокрые сны») чаще случается, если сон имеет сексуальную окраску. В снах с тревогой, агрессией или явной эмоциональной неприязнью эрекция очень маленькая, наблюдаются кратковременные уменьшения окружности пениса.

Наиболее общей целью тестов ночных возбуждений является выявление разницы между органической импотенцией и половым бессилием, имеющим психогенное происхождение. Например, мужчина, не испытывающий эрекции во время бодрствования в силу психологических причин будет иметь нормальную картину ночных возбуждений во время REM-сна. Если периоды эрекции не наличествуют во время REM-сна, следует заключить, что импотенция имеет органические причины. Следует отметить, что эти диагностические методы не так уж точны, недавно появились данные о том, что ночная эрекция может так же уменьшаться и во время депрессий.

Функция регуляции температуры тела действует во время NREM-сна на слабом уровне. Поэтому температура держится на уровне ниже чем во время бодрствования. Дрожь тела во время NREM-сна тоже возникает при температуре ниже, чем во время бодрствования. Также и потовыделение во время NREM-сна происходит, когда окружающая температура - на уровне средней температуры бодрствования или чуть выше. Таким образом, хотя температура окружающей среды может быть и комфортной когда вы только ложитесь спать, позже вы можете проснуться дрожа от холода.

Температура тела во время REM-сна не регулируется. Поэтому дрожь как реакция на холод прекращается во время REM-сна, так же прекращается и потовыделение как реакция на высокую температуру. Как следствие, на всем протяжении REM-сна, температура тела человека будет стремиться к уровню температуры окружающей среды. В экстремальных изменениях окружающей температуры сон будет прерываться; REM-сон становиться тогда намного короче чем NREM-сон, и таким образом температура тела обычно продолжает активно регулироваться. Новорожденные младенцы подвержены большему риску от экстремальных изменений температуры во время сна, потому что имеют большой период REM-сна, потому что REM-сон у младенцев очень важен и крепок. Млекопитающие и птицы являются от природы хранителями тепла и количество энергии расходуемое для контроля температуры своих тел очень огромно. Предполагается что уровень метаболизма у эндотермов выше в 8-10 раз, чем уровень у рептилий подобного размера, когда они пассивно греют свое тело до той же температуры. Хотя существуют явные изменения терморегуляции в зависимости от состояния тела, нужно учитывать что один из базовых ритмов тела – дневной ритм основной температуры тела (рис. 10). Этот циркадный ритм будет более подробно описан в Главе 7::Временное регулирование сна и бодрствования, здесь же стоит отметить что, хотя ежедневный температурный цикл присутствует даже в отсутствие сна, он соотносится с циклами алертности (возбуждения и беспокойства). Таким образом, регуляция температуры в зависимости от состояния тела привлекает контрольные механизмы, независимые от тех которые ответственны за циркадный характер сна.

Рис.10. Средняя алертность и температура тела 15 испытуемых, в течении 72 часов временной изоляции.

Инфекция. В течение инфекционных заболеваний, люди часто испытывают усталость и сонливость. К сожалению, изучение поведения и реакций во сне во время инфекционных заболеваний у людей не проводилось. Сонливость связанная с недомоганием печени может быть устранена за секунды под воздействием бензодиазепинового рецепторного подавителя. У подопытных животных предварительная исследования в этой области показали, что

1. в ходе сна во время инфекции происходят большие изменения;

2. эти изменения сна являются основным указателем на природу инфекции; и

3. изменения сна адаптивны и возможно играют роль в особой защите от носителя инфекции.

Общая модель сна после бактерицидной или грибковой инфекции состоит из начального периода долгого NREM-сна, и последующими 1-2 днями подавления NREM-сна. REM-сон тормозится в течении всего времени болезни. Ясно что в течение болезни присутствует тенденция к частому сну; предполагается, но точно не доказано, что сон способствует процессу оздоровления.