Физиология сна

ся и центры бодрствования. Так удивительно прав ока­ зался в своих предвидениях Экономо.

В последние грды как вариант активных теорий сна предложена психодинамическая теория. Ее сторонники предполагают, что кора мозга оказывает тормозное вли­ яние не только на подкорковые структуры, но и на саму себя.

Представления о наличии активирующей системы мозга, или о центрах бодрствования (пассивные теории сна). Рассматривая патогенез летаргического энцефалита, Л. Маутнер предположил, что причиной наступления ле­ таргического сна при этом заболевании является опухоль в области среднего мозга, которая вызывала сдавливание афферентных путей и прекращение потока сенсорных им­ пульсов в высшие отделы мозга. При этом, однако, он не затрагивал вопрос о причине летаргического бодрствова­ ния. Эту теорию поддержал и Н. Клейман, который пола­ гал, что сон — это «легко обратимая пассивность высших функциональных центров коры», которая наступает в ре­ зультате уменьшения потока афферентной импульсации.

Первые экспериментальные доказательства этой точки зрения были получены в 1935 году Ф. Бремером в опы­ тах с поперечными перерезками на разных уровнях ство­ ла мозга кошки. Он показал, что межколликулярная пе­ ререзка приводит к картине сна на ЭЭГ (спящий «cerveau isole»), тогда как перерезка на границе головного и спин­ ного мозга не изменяет картину бодрствования на ЭЭГ (бодрствующий «encephale isole»).

Важным этапом развития представлений о существо­ вании специальной системы мозга, обеспечивающей бодр­ ствующее состояние, было открытие Дж. Моруцци и Г. Мэгуном в 1949 г. восходящего активирующего влияния неспецифической ретикулярной системы. Они показали, что электростимуляция ретикулярной формации среднего мозга вызывает у кошки бодрствование. Дальнейшие ис­ следования привели к открытию и других активирующих систем — диффузной и специфической таламической сис­ тем, активирующих структур заднего гипоталамуса, структр базального переднего мозга, каудального ядра, центрального серого околоводопроводного вещества, чер­ ной субстанции, о чем мы подробно говорили выше (гла­ ва 14 «Общая физиология сенсорных систем», а также глава 48 «Функциональные состояния мозга»)

В последние годы представления о пассивной приро­ де сна были дополнены информационными теориями. Их сторонники утверждают, что сон — это результат умень­ шения сенсорного потока к ретикулярной формации, что влечет за собой включение тормозных структур.

Интегрирующие теории. Теория сна П.К. Анохина. Обнаружение в стволе мозга активирующих и тормозя­ щих структур позволило Дж. Росси и А. Цанкетти пред­ положить существование в стволе мозга двух антагонис­ тических механизмов — десинхронизирующего (пробуж­ дающего) и синхронизирующего (вызывающего сон). Они считали, что сон — это не пассивное состояние отсут­ ствия бодрствования, а результат активного торможения деятельности мозга. Сегодня можно утверждать, что та­ кие антагонистические центры (сна и бодрствования) име­ ются во всех структурах мозга, причастных к регуляции функционального состояния мозга и цикла «сон-бодр­ ствование».

Первый вариант единой теории сна был предложен П.К. Анохиным в 1945 году. Его можно рассматривать как развитие корковой теории сна И.П. Павлова. Состо­ яние сна П.К. Анхохин представлял как результат про­ явления целостной деятельности организма, строго ко­

ординирующей корковые и подкорковые структуры в единую функциональную систему. П.К. Анохин призна­ вал существование центров сна, в том числе находящих­ ся в гипоталамусе, но при этом он полагал, что все эти центры сна находятся под тоническим угнетающим вли­ янием со стороны коры больших полушарий. При ос­ лаблении этого влияния, которое возникает вследствие снижения рабочего тонуса корковых клеток («активный сон» по И.П. Павлову), центры сна, включая гипоталамические, освобождаются от «опеки» и вызывают тор­ можение коры больших полушарий, т.е. сон; одновре­ менно эти центры вызывают вегетативные сдвиги, харак­ терные для сна. Важно подчеркнуть, что свое тормозное влияние на кору больших полушарий, согласно пред­ ставлениям П.К. Анохина, центры сна (включая гипоталамические) оказывают опосредованно — за счет угнете­ ния восходящих активирующих влияний со стороны ре­ тикулярной формации, таламуса и других компонентов системы активации, т.е. за счет наступления «пассивного (по И.П. Павлову) сна.

В качестве иллюстрации этой гипотезы рассматрива­ ется сон новорожденного. В его коре еще не имеется достаточно зрелых элементов для активного нисходяще­ го тормозного влияния на уже значительно созревшие гипоталамические и другие центры сна. Поэтому основ­ ным состоянием новорожденного является состояние сна. Причиной пробуждения новорожденного является голод — возбуждаемые «голодной» кровью гипоталами­ ческие центры бодрствования реципрокно затормажива­ ют центры сна, устраняя их угнетающее влияние на ак­ тивирующие системы, и ребенок просыпается. После на­ сыщения восстанавливаются прежние соотношения, и ре­ бенок снова засыпает.

Внастоящее время теория сна П.К. Анохина под­ тверждается все новыми и новыми фактами, при одном важном уточнении о том, что формирование медленного сна обусловлено активностью центров сна промежуточно­ го мозга (гипоталамуса), а за развитие быстрого сна от­ ветственны главным образом структуры продолговатого и среднего мозга.

Вчастности, сторонники так называемой энергетичес­ кой, или компенсаторно— восстановительной, концепции сна полагают, что при длительном бодрствовании уровень жизненной активности клеток коры мозга снижается, по­ этому их тормозное влияние на гипоталамус (на центры сна) ослабевает. Это позволяет гипоталамическому центру сна блокировать («выключать») активизирующее воздей­ ствие ретикулярной формации. При снижении восходяще­ го потока возбуждения человек засыпает. Так наступает фаза медленного сна.

Следует отметить, что большинство концепций, объясняющих формирование сна, не детализирует меха­ низмы, ответственные за медленный и быстрый сон, а также за процесс смены одного вида сна на другой. Выс­ казывается предположение, что смена медленного сна на быстрый сон представляет собой вариант ультрадианного биоритма, который осуществляется с участием двух типов нейронов ретикулярной формации варолиевого моста — on— и off-нейронов фазы быстрого сна. Возбуждение опнейронов на фоне медленного сна вызывает его переход

вбыстрый сон, а возбуждение off-нейронов на фоне быс­ трого сна — к его смене на медленный сон и т.д.

Концепция А. Борбели. В 1989 году известный спе­ циалист в области физиологии сна сформулировал пред­ ставление о сне как о форме реализации потребности организма в восстановлении функционального состояния

коры больших полушарий. При этом он полагал, что потребность во сне (процесс S — sleep) увеличивается во время бодрствования и уменьшается во время сна, т.е. по мере восстановления функционального состояния коры больших полушарий. Однако, по мнению автора, процесс удовлетворения потребности во сне сопряжен с реализацией циркадного ритма «активности — покоя» (процесс С — circadian), который находится под воз­ действием внутренних, биологических часов организма. Его пик покоя приходится на 4 часа утра, а пик актив­ ности — на 4 часа дня. Исходя из концепции А.Борбели, можно предположить, что формирование сна, начало которого приходится обычно на вечерние часы, во мно­ гом способствуют механизмы, контролирующие циркад­ ный ритм «активности — покоя», в том числе гипоталамические центры и эпифиз. Смещение, нарушение цир­ кадного ритма нарушает формирование сна.

Гуморальная теория сна. В рамках гуморальной тео­ рии сна высказано представление, согласно которому сон развивается в результате накопления во время бодрство­ вания в нейронах мозга легко окисляющихся продуктов, препятствующих этим нейронам эффективно использовать поступающий кислород. Следовательно, причиной разви­ тия сна является скрытая гипоксия нейронов мозга.

Все остальные варианты гуморальной теории сна ба­ зируются на фактах существования в организме человека и животных различных гипногенных и антигипногенных факторов. Основоположником гуморальной теории сна считается французский физиолог А. Пьерон, который в 1910-1913 годах выделил из спинномозговой жидкости собак, подвергнутых многодневной депривации сна, не­ специфический фактор белковой природы. При его введе­ нии бодрствующему животному тотчас же возникал сон. А. Пьерон назвал этот фактор сонным ядом, или гипно­ токсином. В последующем было показано, что введение бодрствующим собакам крови, спинномозговой жидкости или экстракта вещества головного мозга собак, долго (10 дней) не спавших, быстро вызывает все признаки утомле­ ния и развитие сна у собаки-реципиента. При этом в пи­ рамидных нейронах лобной коры появляются такие же изменения формы ядер, как и у собак— доноров. Хотя в чистом виде выделить гипнотоксин так и не удалось, гу­ моральная теория сна была и остается одной из наиболее популярных теорий. Одно время она была поколеблена результатами наблюдений П.К. Анохина над ныне здрав­ ствующими сиамскими близнецами, имеющими общую си­ стему кровообращения. П.К. Анохин обратил внимание на одно важное противоречие гуморальной теории — во время бодрствования одной девочки, вторая девочка мог­ ла находиться в состоянии сна. Однако в последнее вре­ мя вновь возник интерес к гуморальной теории.

Этот интерес был связан с выявлением в определен­ ных структурах мозга нейропептидов, введение которых непосредственно в желудочки мозга бодрствующего жи­ вотного вызывает сон. Так, М. Монье и Л. Гезли извлек­ ли из крови кролика дельта-пептид, состоящий из 9 ами­ нокислот и имеющий молекулярную массу 849 Д. Введе­ ние этого пептида вызывало у бодрствующих животных развитие медленного сна, или дельта-сна. Затем были вы­ явлены другие гипногенные факторы. Например, фактор Паппенгеймера (фактор S, или гипногенный пептид), вы­ деленный из мочи человека и спинномозговой жидкости коз, который содержал мурамовую кислоту. Известен фактор Учизано, представляющий собой гипногенный пептид, выделенный из ствола мозга бодрствующей в те­ чение суток крысы. Ежегодно увеличивается число эндо­

генных факторов, причастных к формированию сна. В связи с этим высказано мнение, что обилие гипногенных факторов связано с тем, что все они действуют через по­ средство какого-то еще неизвестного механизма, ответ­ ственного за наступление сна, а единственного фактора сна (в понимании А. Пьерона) реально не существует.

Судя по данным литературы, в развитии медленного сна участвуют (поэтому их недостаток может вызывать бессонницу) серотонин, дельта-пептид, мурамил-дипептид, фактор Паппенгеймера, ГАМК, холецистокининовый оксапептид, аргинин-вазотоцин, ангиотензин, интерлейкин I, интерферон альфа2, соматолиберин, гормон роста, альфа

— MSH, инсулин, простагландин Д2, уридин. Важное значение для развития медленного сна имеет снижение в мозге содержания дофамина и гистамина (их избыток может приводить к бессоннице).

В развитии быстрого сна принимают участие норадреналин, ацетилхолин, мелатонин, вазоактивный интести­ нальный полипептид (ВИП), холецистокининовый оксапептид, гормон роста и его производные, соматолиберин, соматостатин, кортикотропиноподобный пептид, инсулин, глюкокортикоиды. Кроме того, важным условием для развития быстрого сна имеет снижение содержания в мозге дофамина (его избыток нарушает формирование быстрого сна).

Таким образом, гормон роста, соматолиберин, инсу­ j лин, холецистокининовый оксапептид, а также дофамин (когда его содержание в мозге снижается) участвуют в индукции обеих фаз сна. С другой стороны, показано, что норадреналин причастен к регуляции смены медлен-

Iного и быстрого сна.

Необходимо также говорить о факторах, способству­ ющих бодрствованию — это дофамин, гистамин и тиреотропный гормон.

В целом можно утверждать, что в головном мозге имеется система нейронов, обеспечивающих формирование цикла «сон— бодрствование». О такой системе еще в 60ые годы говорил известный физиолог М. Жуве. Соглас­ но его моноаминергической теории, развитие медленного и быстрого сна связано с активностью различных групп моноаминергических нейронов. Он считал, что в форми­ ровании медленного сна участвуют серотонинергические нейроны комплекса шва, в то время как норадренергические нейроны голубого пятна ответственны за наступле­ ние быстрого сна, а также за смену медленного и быст­ рого сна. Бодрствование обеспечивается дофаминергическими нейронами черной субстанции. К этому следует до­ бавить современные данные о причастности холинергических нейронов базального переднего мозга к процессам активации нейронов коры (поэтому избыточное содержа­ ние ацетилхолина может препятствовать развитию мед­ ленного сна), а также гистаминергических нейронов как активаторов нейронов коры.

Помимо этого, важным (судя по представленному выше перечню гипногенных факторов) является участие в формировании сна гормонпродуцирующих нейронов, бла­ годаря которым повышается содержание в мозге таких гипногенных факторов как мелатонин, соматолиберин, соматостатин, кортикотропиноподобный пептид, аргининвазотоцин.

Наконец, судя по приведенному перечню гипноген­ ных факторов, можно говорить о прямом участии эндок­ ринной системы в формировании сна, в том числе за счет продукции таких важных гормонов как инсулин, гормон роста и глюкокортикоиды, а также различных пептидных гормонов (ВИП, холецистокининовый оксапептид, ангио­

тензин, интерлейкин I, интерферон альфа2). Обращает на себя внимание наличие в этом перечне гормонов, участву­ ющих в стресс-реакции. Это означает, что развитие сна можно рассматривать как форму противостояния стрессо­ вым воздействиям.

Следует также подчеркнуть, что продукция многих из указанных гипногенных факторов, как известно, имеет циркадный характер. В свете концепции А. Борбели, это подтверждает причастность данных факторов к формиро­ ванию сна. В этом отношении особого внимания заслужи­ вает мелатонин, причастный к индукции быстрого сна. Мелатонин, как известно, продуцируется в эпифизе (пре­ имущественно, ночью), а его предшественником является серотонин. Эпифиз является основным регулятором цир­ кадных, или околосуточных, ритмов в организме челове­ ка и животных. Очевидно, что прогрессивное накопление в процессе бодрствования (в дневное время) серотонина в эпифизе способствует формированию медленного сна, ко­ торый наступает поздно вечером. В ночное время за счет периодического превращения серотонина в мелатонин происходит регулярная смена фаз сна, т.е. формирование циклов сна.

Обобщающая концепция о механизмах формировав ния медленного и быстрого сна. Анализ имеющихся дан-! ных литературы позволяет, взяв за основу теорию сна П.К. Анохина, сформулировать семь основных положе­ ний, касающихся механизмов формирования сна и его от­ дельных фаз.

Первое положение. Сон — это особое (квазитормозное) состояние коры обоих полушарий головного мозга, при котором сознание временно отсутствует, а двигатель­ ные, сенсорные и интеллектуальные системы мозга рабо­ тают в режиме, принципиально отличном от состояния бодрствования. Благодаря такому состоянию коры боль­ ших полушарий реализуются все функции сна, в том чис­ ле восстановление функциональных резервов нейронов коры, окончательная обработка поступившей за период бодрствования информации, удовлетворение неудовлетво­ ренных в процессе бодрствования потребностей.

Деятельность вегетативной системы принципиально не изменяется; она адекватно обеспечивает поддержание гомеостаза организма.

Второе положение. В различных отделах головного мозга имеются скопления нейронов, возбуждение которых вызывает развитие сна. Эти скопления можно назвать гипногенными центрами, или центрами сна. Они представляют собой своеобразные индикаторы (рецепторы) функцио­ нального состояния нейронов соответствующего отдела мозга. Среди этих гипногенных структур можно выделить как минимум три вида центров: а) обеспечивающие разви­ тие медленного сна, б) обеспечивающие развитие быстрого сна, в) обеспечивающие смену медленного сна на быстрый и наоборот, т.е. организующие цикл сна.

Центры медленного сна:

передние отделы гипоталамуса (преоптические ядра) неспецифические ядра таламуса ядра срединного шва (серотонинергические нейроны)

тормозный центр Дж. Моруцци (средняя часть варолиевого моста)

Центры быстрого сна:

голубое пятно (норадренергические нейроны) вестибулярные ядра продолговатого мозга верхнее двухолмие среднего мозга

ретикулярная формация среднего мозга (центры быс­ трых движений глаз)

Центры сна (медленного ? быстрого ?):

ядро одиночного тракта хвостатое ядро

базальный передний мозг (орбито-фронтальная об­ ласть)

ретикулярные структуры ствола мозга

Центры, регулирующие цикл сна:

голубое пятно (норадренергические нейроны) отдельные участки коры больших полушарий

Третье положение. В тех же самых отделах мозга, где сконцентрированы гипногенные структуры, находятся скопления нейронов, возбуждение которые вызывает ак­ тивацию нейронов коры головного мозга (центры бодр­ ствования).

Активирующие структуры (центры бодрствования):

неспецифические ядра таламуса задние ядра гипоталамуса ретикулярная формация ствола мозга базальный передний мозг хвостатое ядро

центральное серое околоводопроводное вещество черная субстанция (дофаминергические нейроны)

Четвертое положение. Функционирование механизмов, участвующих в развитии сна, можно представить (в соот­ ветствии с теорией П.К. Анохина) следующим образом.

Активность всех гипногенных центров мозга в состо­ янии бодрствования подавлена под влиянием коры боль*- ших полушарий. Наиболее вероятно, что такой областыр коры является передний базальный мозг (орбито-фрон!- тальная область лобных долей каждого полушария). Эт| область можно назвать как корковый контролирующий центр. При снижении функциональных возможностей нейронов коры больших полушарий (всех областей коры| включая и корковый контролирующий центр) тормозной влияние коры на гипногенные центры снимается, особен-| но на центры, ответственные за развитие медленного сна.| Снятие тормозного влияния коры на гипногенные цент-| ры может происходить и условно-рефлекторно. *

Гипногенные центры, ответственные за формирование медленного сна (главным образом, это центры переднего гипоталамуса и ядра срединного шва), оказывают тормоз­ ное влияние на центры бодрствования (центры активиру­ ющей системы), что приводит к значительному снижению восходящего активирующего влияния на кору больших полушарий. Развивается сон. Углублению сна способству­ ет снижение потока сенсорной информации (положение лежа, в условиях температурного комфорта, отсутствия ноцицептивной импульсации, после приема пищи, в тем­ ноте, при отсутствии слышимых звуков и тактильных контактов с другим лицом). Спустя 60-80 минут за счет деятельности центра смены фаз сна, активируются цент­ ры быстрого сна, что вызывает все специфических изме­ нения на ЭЭГ, в деятельности внутренних органов, а так­ же в двигательной системе, включая быстрые движения глаз. При этом не исключается, что под влиянием цент­ ров быстрого сна частично происходит растормаживание центров бодрствования. По окончанию первого цикла сна с участием центра смены фаз сна вновь возбуждаются центры медленного сна и тормозятся центры быстрого сна. Центры смены фаз, вероятно, содержат, как мини­ мум, четыре типа нейронов, в том числе on— и off— ней­ роны медленного сна и on— и off-нейроны быстрого сна. С их участием и совершается регуляция ультрадианного биоритма, каким является цикл сна.

По мере восстановления функционального состояния коры больших полушарий постепенно восстанавливается ее тормозное влияние (коркового контролирующего цент­ ра) на центры медленного сна и тем самым прекращается сон, наступает бодрствование. Этому способствует повы­ шение сенсорной информации из внешней и внутренней среды (центры голода, центры мочеиспускания и дефека­ ции, центры эрекции и пр.).

Пятое положение. Формирование сна происходит на фоне биологически детерминированного околосуточного ритма «активности — покоя», в организации которого принимают участие гипоталамус (в том числе его супрахиазматическое ядро), эпифиз, гипофиз и надпочечники. Поэтому при совпадении во времени развития сна и фазы покоя этого цикла деятельность указанных образований способствует формированию сна. В этом отношении осо­ бенно важна роль мелатонина, катехоламинов, гормона роста и глюкокортикоидов. Кроме того, эпифиз за счет периодической (в ночное время) продукции мелатонина участвует наряду с гипно-генными центрами в регуляции цикла сна, т.е. в смене медленного и быстрого сна.

Шестое положение. Многие гормоны и биологически активные вещества способны модулировать состояние центров сна и центров бодрствования. По характеру мо­ дуляции их можно разделить на две группы: 1) факторы, повышающие активность центров сна (гипногенные факто­ ры) и 2) факторы, снижающие активность центров сна (антигипногенные факторы). Примером гипногенных фак­ торов является инсулин, секреция которого повышается при пищеварении, а примером антигипногенного фактора является тироксин, продукция которого возрастает при

интенсивной умственной деятельности. Вот почему многие процессы, протекающие в организме человека, тем или иным образом отражаются на характере ночного сна.

Седьмое положение. Патология сна может быть выз­ вана различными причинами, которые приводят к суще­ ственному нарушению деятельности центров сна и бодр­ ствования. Среди этих причин особое место занимают из­ менения циркадного ритма «активности-покоя», а также продукции различных гормонов. Все это дает основание считать, что сон является интегральной характеристикой уровня здоровья человека.

** *

Суммируя все эти данные, можно сказать, что сон представляет собой состояние, при котором гипногенные структуры мозга находятся в активном состоянии. Кроме того, эти структуры продуцируют также гипногенные БАВ и медиаторы. Бодрствование — это состояние, при котором, с одной стороны, подавлена деятельность гип­ ногенных структур, а с другой стороны — усилена дея­ тельность центров, активирующих кору больших полуша­ рий, которые одновременно продуцируют БАВ и медиа­ торы анти-гипногенной направленности. Очевидно, что смена двух состояний (бодрствования и сна) является сложнорефлекторным процессом, в основе которого ле­ жит комплекс безусловных хронобиологических рефлек­ сов. Этот комплекс можно рассматривать как один из ва­ риантов реализации инстинктов самосохранения, а также созданных на базе этого инстинкта многочисленных ус­ ловных рефлексов.