Сон и бодрствование

     О том, что работа мозга во сне не прекращается, можно судить по сохраняющейся в состоянии сна его биоэлектрической активности. Биотоки мозга отражают биохимические процессы, происходящие в клетках, и свидетельствуют об активной деятельности мозга. Регистрируются они при одновременном отведении из многих точек головы, и после усиления записываются в виде электроэнцефалограммы (ЭЭГ), которая в зависимости от различных физиологических состояний имеет своеобразный и характерный рисунок. У ученых - исследователей сна выработался такой же профессиональный подход к электроэнцефалограммам, как у графологов к почерку. Электроэнцефалограммы нормального сна одного и того же человека похожи друг на друга, как и написанные им письма. Специалист может, просматривая определенное количество энцефалограмм, найти те, которые принадлежат одному и тому же человеку. Энцефолаграммы однояйцовых близнецов похожи друг на друга, как и они сами, в то время как записи сна двуяйцовых близнецов отличаются друг от друга. Именно с помощью этого прибора было установлено, что биотоки мозга спящего человека отличаются медленной активностью: их частота колебаний - 1 - 3 в секунду, тогда как в состоянии бодрствования преобладают волны с частотой колебаний 8 - 13 в секунду. Вместе с тем даже при глубоком сне в коре головного мозга животных и человека остаются бодрствующие участки - так называемые "сторожевые пункты", физиологический смысл которых состоит в том, чтобы в необходимых случаях выводить организм из состояния сна. Так, спящий меняет во сне неудобную позу, раскрывается или укрывается при изменении температуры окружающего воздуха, просыпается при звоне будильника или других громких звуках.

     Во  время сна также значительно  тормозятся безусловные и условные рефлексы. Что касается дыхания при  глубоком сне, то оно значительно  снижено, чем во время бодрствования, частота сердечных сокращений и артериальное давление снижаются. Уменьшение поступления к тканям крови во время сна сопровождается снижением интенсивности обмена веществ на 8 - 10%, понижением температуры тела и уменьшением поглощения кислорода из окружающей среды. Все это свидетельствует о том, что в состоянии сна вместе с мозгом получают "отдых" и все внутренние органы, обеспечивающие жизнедеятельность клеток и тканей.

     1.3. Биологическое значение сна.

     Когда в результате работ Клейтмана и Азеринского из Чикагского университета (первые публикации относятся к 1953 году) выяснилось, что сон имеет весьма сложную структуру, что он состоит из периодов "медленного" и "быстрого" сна, многократно сменяющих друг друга, стало ясным, что сон - это отнюдь не покой мозга, а особого рода его деятельность.

     В чем же смысл этой деятельности, ее биологическое значение, каковы ее задачи? Прежде всего - восстановительные, репаративные. В результате напряженной  деятельности по переработке огромного количества информации в течение дня начинают уставать нервные клетки, синапсы (места контактов между нервными клетками), причем главным образом из-за истощения не энергетических запасов, а тех веществ, которые нужны для восприятия, переработки и фиксации этой информации в мозговых структурах, т.е. белков и рибонуклеиновых кислот. Как показали многочисленные исследования, во время сна происходит в мозге активнейшая работа по синтезу указанных веществ.

     Но  этим значение сна не исчерпывается. В организме протекает колоссальное количество разнообразных физиологических, биохимических, обменных процессов, которые являются основой его существования. Все они так или иначе должны быть согласованы между собой, находиться в соответствующих временных связях. Это согласование осуществляется различными механизмами, среди которых первейшая роль принадлежит мозгу: в него от всех внутренних органов поступает разнообразная сенсорная информация, а в обратном направлении текут регулирующие импульсы. Но мозг в течение своей активной дневной деятельности должен осуществлять еще одну важнейшую задачу - по переработке информации, поступающей из внешнего мира, по осуществлению взаимодействия организма с окружающей средой. В это время он как бы "весь обращен вовне", и определенный "недостаток внимания к внутренним проблемам" может сказываться на протекании различных процессов внутри организма.

     Представьте себе человека, который утром встал, позавтракал и спокойно вышел  из дому. Все системы в его организме  работают пока без резких скачков. Но вот он увидел, что к остановке приближается нужный ему троллейбус. Надо поспешить. Человек бежит: ускоряется сердечная деятельность, усиливается выброс в кровь адреналина и в то же время притормаживается работа желудка, кишечника, т.е. происходит срочная перестройка во всем внутреннем хозяйстве организма. И так - целый день: взбадриваются одни системы, тормозятся другие, затем все происходит в обратном порядке и т.д. Сон сглаживает эти резкие скачки, восстанавливает ритмику собственных спонтанных колебаний в функционировании внутренних органов и тканей, выравнивает нарушенные фазовые соотношения между различными процессами внутри организма. Это очень нужная и важная работа.

     Нельзя  считать, что мозг за день успевает полноценно перерабатывать всю поступающую в него информацию. Кое-что ему приходиться откладывать ("это - не срочно"). И во время сна ("в более спокойной обстановке"), как оказывается, продолжается работа над этой частью информации - по ее классификации, закреплению, переводу в долговременную память.

     Вот так сон, возникший вначале как  приспособление организма к переходу от дневной деятельности к ночной неподвижности, со временем по мере эволюционного  развития животного мира стал выполнять  целый ряд весьма сложных функций, вплоть до участия в определенных психических операциях.

     Из  всего сказанного становится ясным, какую огромную ценность для человека представляет нормальный, полноценный  сон и какой важной задачей  медицины является борьба с нарушениями  сна, с бессонницей.

      2. ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ И РЕГУЛЯЦИЯ СНА.

     2.1. Механизмы сна.⁴

     Один  из главных вопросов, волновавших  физиологов еще со времен Павлова, - это существование в мозге  “центра сна”. Во второй половине нашего столетия прямое изучение нейронов, вовлеченных  в регуляцию сна-бодрствования, показало, что нормальная работа таламо-кортикальной системы мозга, обеспечивающая сознательную деятельность человека в бодрствовании возможна только при участии определенных подкорковых, так называемых активирующих, структур. Благодаря их действиям в бодрствовании мембрана большинства кортикальных нейронов деполяризована на 10-15 мВ по сравнению с потенциалом покоя – (65-70) мВ. Только в состоянии этой тонической деполяризации нейроны способны обрабатывать информацию и отвечать на сигналы, приходящие к ним от других нервных клеток (рецепторных и внутримозговых) (рис.1).

Рис.1. Активирующие структуры мозга на схемах продольного (в центре) и поперечного (справа вверху) срезов ствола мозга кошки. «Центр парадоксального сна» отмечен прямоугольником.

     Как сейчас ясно, таких систем тонической деполяризации, или активации мозга (условно “центров бодрствования”), несколько - вероятно, пять или шесть. Располагаются они на всех уровнях мозговой оси: в ретикулярной формации ствола, в области голубого пятна и дорзальных ядер шва, в заднем гипоталамусе и базальных ядрах переднего мозга. Нейроны этих отделов выделяют медиаторы - глутаминовую и аспарагиновую кислоты, ацетилхолин, норадреналин, серотонин и гистамин, активность которых регулируют многочисленные пептиды, находящиеся с ними в одних и тех же везикулах. У человека нарушение деятельности любой из этих систем не компенсируется за счет других, несовместимо с сознанием и приводит к коме (рис.2).

Рис.2. Общая схема строения мозга и его фрагмент (внизу), где в основном расположены центры бодрствования и парадоксального сна (выделены цветом); указаны соответствующие медиаторы.

     Казалось  бы, если в мозге есть “центры  бодрствования”, то по крайней мере должен быть один “центр сна”. Однако в последние годы выяснилось, что в сами “центры бодрствования” встроен механизм положительной обратной связи. Это особые нейроны, которые осуществляют торможение активирующих нейронов и сами тормозятся ими. Такие нейроны разбросаны по разным отделам мозга, хотя больше всего их в ретикулярной части черного вещества. Все они выделяют один и тот же медиатор - гамма-аминомасляную кислоту, главное тормозное вещество мозга. Стоит только активирующим нейронам ослабить свою деятельность, как включаются тормозные нейроны и ослабляют ее еще сильнее. В течение некоторого времени процесс развивается по нисходящей, пока не срабатывает некий “триггер” и вся система переключается либо в состояние бодрствования, либо парадоксального сна. Объективно этот процесс отражает смена картин электрической активности головного мозга (ЭЭГ) по ходу одного полного цикла сна человека (90 мин).

     В последнее время внимание исследователей привлечено еще к одной эволюционно  древней тормозной системе головного  мозга, использующей в качестве медиатора  нуклеозид аденозин. Японский физиолог О.Хаяйси с коллегами показали, что синтезируемый в мозге простагландин D участвует в модуляции аденозинэргических нейронов. Поскольку главный фермент этой системы - простагландиназа-D - локализован в мозговых оболочках и хороидном плексусе, очевидна роль этих структур в формировании определенных видов патологии сна: гиперсомнии при некоторых черепно-мозговых травмах и воспалительных процессах менингеальных оболочек, африканской “сонной болезни”, вызываемой трипаносомой, которая передается через укусы мухи цеце и пр.

     Прямая  регистрация одиночной активности нейронов мозга в экспериментах  на лабораторных животных показала, что  в бодрствовании (в состоянии  тонической деполяризации) характер разрядов таламо-кортикальных клеток высоко индивидуален. Но по мере углубления сна и нарастания синхронизированной активности в ЭЭГ начинают преобладать более мощные тормозные постсинаптические потенциалы, перемежающиеся периодами экзальтации - высокочастотными вспышками нейронных разрядов (такой рисунок нейронной активности называется “пачка-пауза”).

     Тогда появляется “хоровая” активность нейронов, и условия для переработки  информации в мозге, причем не только поступающей от органов чувств, но и хранящейся в памяти, резко ухудшаются. Однако средняя частота импульсации корковых и таламических нейронов не снижается, а у ГАМК-эргических (тормозных) нейронов она даже значительно повышается. Что касается активирующих нейронов, то их разряды становятся реже. Эти нейрофизиологические феномены хорошо коррелируют с известными данными о постепенном торможении психической активности по мере углубления медленного сна у человека.

     Если  с точки зрения нейронной активности бодрствование - это состояние тонической деполяризации, то медленный сон - тоническая гиперполяризация. При этом направление движения через клеточную мембрану основных ионных потоков (катионов Na⁺, K⁺, Ca²⁺, анионов Cl^–), а также важнейших макромолекул меняется на противоположное.

     Таким образом, можно было бы сказать, что  во время медленного сна восстанавливается мозговой гомеостаз, нарушенный в ходе многочасового бодрствования. С этой точки зрения бодрствование и медленный сон - как бы “две стороны одной медали”. Периоды тонической деполяризации и гиперполяризации должны периодически сменять друг друга, чтобы сохранить постоянство внутренней среды головного мозга и обеспечить нормальную работу таламо-кортикальной системы - субстрата высших психических функций человека. Отсюда ясно, почему в мозге нет единого “центра медленного сна” - это значительно уменьшило бы надежность всей системы, сделало бы ее более жестко детерминированной, полностью зависящей от “капризов” этого центра в случае каких-либо нарушений его работы.

     С другой стороны, становится также понятно, почему почти невозможно длительное полное подавление медленного сна: в  норме активность периодически сменяется  покоем, бодрствование - медленным сном, охватывающим весь мозг целиком. Известно, что при искусственной хронической депривации механизмы бодрствования и медленного сна начинают функционировать диффузно и одновременно. При этом, разумеется, страдает нормальное поведение, зато, несмотря на депривирующее воздействие, восстанавливается мозговой гомеостаз.

     Однако  и здесь все не так просто. Недавно  Пигарев в опытах на кошках показал, что по мере развития синхронизации  в ЭЭГ первичные нейроны зрительной и слуховой коры перестают реагировать  на специфические стимулы и начинают все в большей степени отвечать на импульсацию, приходящую в кору со стороны внутренних органов. Принимая во внимание обнаруженные особые Ca–-каналы на мембране многих корковых нейронов, которые открываются при гиперполяризации, можно предположить, что в медленном сне мозг не прекращает перерабатывать информацию, а переходит от обработки внешних сигналов к интероцептивной импульсации.