Центры бодрствования и сна

Сон – это функция мозга. А раз так, то нет ли в головном мозге человека особой области, воздействуя на которую можно было бы управлять процессом сна? Поиск центра сна был главной задачей физиологов со времен И.П.Павлова.

В 1916-17 годах в Европе было зарегистрировано загадочное инфекционное заболевание: у заболевших поначалу поднималась высокая температура, появлялись нарушения зрения, галлюцинации, апатия, а потом развивалась такая разнообразная симптоматика, что не было возможности поставить правильный диагноз.

Всех заболевших связывало лишь одно – все они страдали расстройством сна.

Часть из заболевших страдала бессонницей, в то время как другая – гиперсомнией. Люди могли спать месяцами, просыпаясь лишь для приема пищи. Эта эпидемия унесла жизни 5 миллионов человек и неожиданно прекратилась к 1927 году.

Economo

Венский невролог барон Константин фон Экономо (1876 — 1931) детально исследовал заболевание, назвав его летаргическим энцефалитом. Экономо обнаружил, что у всех пациентов, умерших от этого заболевания в гипоталамусе промежуточного мозга присутствовали участки отмерших нервных клеток. Причем, у пациентов страдавших бессонницей, такие поврежденные участки находились в передней части гипоталамуса, тогда как у пациентов с гиперсомнией – в задней части.

Он предположил, что расстройства сна связаны именно с этими участком мозга (рис.1), каждый из которых ответственен либо за состояние бодрствования, либо за состояние сна. Предположение Экономо подтвердилось только в 1996 году группой исследователей из Гарвардского университета (Бостон), которая показала, что клетки передней части гипоталамуса составляют центр сна: они проявляют активность в период сна и молчат в период бодрствования.

hLljeRfrUVw

Рис.1. Расположение гипоталамуса в мозге человека (выделено красным). Источник: https://ru.wikipedia.org/wiki/Гипоталамус

96PUQWQlWtk

Затем последовали знаменитые опыты швейцарского физиолога Уолтера Гесса (1881-1973), получившего за них в 1949 году Нобелевскую премию. В 1924 году этот ученый впервые показал, что электрическое раздражение определенных участков мозга кошек при помощи электродов приводит к изменению поведения животного от агрессии до защитных реакций. В частности, раздражение некоторых участков гипоталамуса приводило к немедленному засыпанию животных.

Таким образом, опыты Гесса и наблюдения Экономо убедили научное сообщество в существовании центра сна.

Однако, как оказалось позднее, не все так просто. Выяснилось, что не существует единого центра сна. Вместо этого существует сложная система взаимосвязанных нервных центров, располагающихся на разных уровнях мозга и совместно осуществляющих функции поддержания одного из состояний: либо сна, либо бодрствования.

Принимая во внимание гипотезу о том, что бодрствование млекопитающих – эволюционно более новое, а значит и более сложное, приобретение, не стоит ли поискать сначала центры бодрствования?

Центры бодрствования

По всему стволу мозга от спинного мозга до гипоталамуса и таламуса включительно протянулась область с огромным количеством сетевидно расположенных нейронов – ретикулярная формация ствола мозга. По характеру ЭЭГ было установлено, что перерезка выше ствола мозга, где расположена ретикулярная формация, неизменно вызывала глубокий медленный сон.

К такому же результату приводили разрушение или фармакологическая блокада ретикулярной формации. Если же перерезка осуществлялась ниже этого уровня, такого эффекта не наблюдалось.

Моруцци и Мэгун

Далее были проведены опыты итальянского нейробиолога Джузеппе Моруцци (1910-1986) и американского нейролога Горация Мэгуна (1907-1991), крупнейших исследователей XX века по изучению состояния бодрствования, в котором стимуляция нейронов ретикулярной формации приводила животных к немедленному пробуждению.

С тех пор ученые-сомнологи далеко продвинулись в изучении механизма поддержания сознания в активном состоянии. Было установлено, что уровень бодрствования поддерживается постоянным потоком импульсации, идущей из ретикулярной формации через неспецифические ядра таламуса к нейронам коры головного мозга (рис.2), обеспечивая деполяризацию их мембран.

kLwpYJ-o4Ds

Рис.2. Ретикулярная формация мозга получает сигналы от сенсорных систем и посылает активирующие импульсы на кору больших полушарий. Источник: https://psychneuro.wordpress.com/2014/02/21/money-the-reticular-formation/

Только такая тоническая деполяризация обеспечивает нормальную работу корковых нейронов, необходимую для сознательной деятельности человека и для обработки поступающей к ним информации.

Таким образом, главной системой мозга, поддерживающей бодрствование, является восходящая активирующая система ретикулярной формации. Эта система формирует не только «тонус коры», но и мышечный тонус, поскольку оказывает активирующее влияние также и на спинной мозг.

Активирующая система мозга является глутаматергической по своей природе и использует в качестве нейромедиатора глутаминовую и аспарагиновую кислоты (основные возбуждающие медиаторы мозга).

Даже во сне «фоновая активность» этой системы не исчезает совсем, а снижается до определенного уровня и пребывает в режиме «stand-by», позволяя нам при необходимости вовремя проснуться. Нужно отметить, что активирующая система мозга получает сигналы не только от сенсорных систем (зрительных, слуховых и прочих анализаторов), но и из коры головного мозга через кортико-таламические пути.

Это означает, что из состояния сна можно выйти не только из-за громкого звука, яркого света или от сильного прикосновения (т.е. сенсорных сигналов достаточной силы, активирующих ретикулярную формацию), но и самопроизвольно за счет того, что кора может регулировать собственное пробуждение.

Примерами могут служить случаи, когда человек просыпается за пару минут до того как прозвенит будильник, поскольку накануне была задана установка проснуться в определенное время по каким-то серьезным причинам. Или когда мать просыпается от небольшого шороха в детской кроватке, но не от шума дороги за окном.

Более того, кора головного мозга может самостоятельно поддерживать состояние активации, несмотря на возрастающий прессинг со стороны гипногенных структур, что позволяет «сопротивляться» сну, если необходимо выполнить какую-то срочную работу или существует что-либо, что в данный конкретный момент важнее сна.

Эти примеры еще раз доказывают главенствующую роль центральных (корковых) механизмов регуляции сна и бодрствования.  Вспомним сросшихся близнецов, за которыми наблюдал П.К. Анохин и которые могли спать независимо друг от друга.

Глутаматергическая система ретикулярной формации хоть и одна из главных, но не единственная в поддержании «тонуса коры». В осуществлении активирующего влияния на кору головного мозга помимо ретикулярной формации принимают участие и другие структуры мозга (рис.3):

EHQMnNCf1ZM

Рис.3. «Центры бодрствования» в головном мозге человека и их пути. Обозначения: LTD/PPT – холинергические пути латеродорсального тегментума/педункулопонтийного ядра; BF —  холинергические проекции базальной части переднего мозга; LC/PB/PC/DR – глутаматергические и моноаминергические проекции голубого пятна/парабрахиального ядра/подголубого пятна/ядер шва;     vPAG/TMN – глутаматергические и гистаминергические околоводопроводное серое вещество/туберо-маммилярное ядро. Источник: Saper et al., Neuron, 2011

Голубое пятно (LC) – скопление норадренергических нейронов, располагающихся между мостом и средним мозгом, посылающих свои волокна ко всем отделам мозга и использующих норадреналин в качестве нейромедиатора. Голубое пятно активизирует мозг в условиях стресса или при предъявлении незнакомых стимулов, а также при переходе от медленного сна к быстрому.

После пробуждения уровень норадреналина в мозге вырастает, а после засыпания в период медленного сна – уменьшается. Кстати, не задумывались ли вы – почему хочется спать после еды? Да потому что после еды активируется парасимпатическая нервная система, которая подавляет действие норадреналина, уменьшая его уровень в мозге;

Дорсальные ядра шва (DR) – скопления серотонинергических нейронов продолговатого мозга. Активность этих нейронов, а значит и уровень серотонина, также максимальна в период бодрствования, минимальна в период сна и отсутствует во время быстрого сна. Этим нейронам отводится роль не только в процессах бодрствования, но и в индукции медленного сна.

Между прочим, прием многих транквилизаторов и снотворных, кроме своего прямого эффекта, вызывает истощение мозговых запасов серотонина и норадреналина, что с одной стороны доказывает участие этих медиаторов в процессах сна-бодрствования, а, с другой стороны, показывает – насколько современные снотворные средства небезопасны;

Вентролатеральная преоптическая область (VLPO) расположена в  гипоталамусе. Именно эту область исследовали Константин фон Экономо и Уолтер Гесс. Ее разрушение неизменно приводит к постоянной бессоннице. VLPO активна во время сна, главным образом медленного, и использует в качестве нейромедиатора гамма-аминомасляную кислоту (ГАМК, основной тормозный медиатор мозга).

VLPO активируется веществами, вызывающими сон (серотонин, аденозин и другие эндогенные гипногенные вещества), а ингибируется медиаторами, поддерживающими бодрствование (норадреналин и ацетилхолин);

  • Холинергическая система педункулопонтийного ядра (PPT), латеродорсального тегментума (LTD) и базальной части переднего мозга (BF), посылающая свои волокна веерообразно ко всем структурам мозга и использующая в качестве нейромедиатора ацетилхолин. Эта система активна во время бодрствования и в фазе быстрого сна и малоактивна во время медленного сна;
  • Задний латеральный гипоталамус с открытым в 1998 году нейромедиатором орексин (гипокретин), чья основная функция – поддержание бодрствования;
  • Туберо-маммилярное ядро (TMN), являющееся частью гипоталамуса с нейромедиатором гистамин. Проявляет максимальную активность во время бодрствования, минимальную – во время медленного сна и «молчит» во время быстрого сна;
  • Супрахиазматическое ядро (SCN, «биологические часы») ответственно за распределение сна в суточном цикле. Если разрушить эту структуру у крыс, то они будут спать по многу раз в разное время суток, вместо положенного длительного периода в дневное время;

Как видно, бодрствование – сложный активный процесс, вовлекающий множество структур мозга и почти все основные нейромедиаторные системы мозга. Причем, многие структуры вовлечены как в процессы бодрствования, так и в процессы сна.

А объясняется это тем, что в центры бодрствования встроен механизм положительной обратной связи, который представляет собой ГАМКергические нейроны VLPO, способные тормозить активирующие нейроны и сами тормозиться ими. Как только активирующие нейроны ослабляют свою активность – включаются тормозные нейроны и ослабляют их еще сильнее.

Этот процесс идет по нарастающей, пока не срабатывает спусковой механизм, «переключающий» организм либо в состояние бодрствования, либо в состояние быстрого сна, либо в состояние медленного сна. Это так называемая модель флип-флоп переключателя (рис.4).

7nFvu1a08Y8

Рис.4. Схема переключения между состояниями сна и бодрствования. Слева: в состоянии бодрствования активирующая система (красные кружки) блокирует центр засыпания (синие кружки). Орексиновая система (зеленые кружки) стабилизирует состояние. Справа: в состоянии сна центр засыпания блокирует активирующую систему и орексиновую систему. Обозначения: LC – голубое пятно, TMN – туберо-маммилярное ядро, Raphe – дорсальные ядра шва, ORX – орексин, ВЛПО – вентролатеральная преоптическая область. Источник: Шпорк П., 2010.

Только совсем недавно, в 2008-2009 годах установлена главная роль орексина в этой модели. Система регуляции сна может только включаться или выключаться без каких-либо переходных фаз. Главное, чтобы центры засыпания и возбуждения блокировали друг друга.

Орексин же нужен для того, чтобы система то и дело не переключалась с одной позиции на другую. Он возбуждает все центры бодрствования, не подавляя при этом центры сна, то есть создает такие условия, чтобы переключения происходили относительно редко.

Всем известно, что может произойти, если выключить орексиновую систему – нарколепсия, когда днем ни с того ни с сего человек внезапно глубоко засыпает и так же быстро просыпается, причем повторяться это может десятки раз за сутки.

По такому же принципу «переключателя» происходит смена медленного и быстрого сна, но с участием других анатомических субстратов.

Центры сна

Возникает вопрос: а не является ли сон всего лишь отсутствием бодрствования? Есть ли смысл искать центры сна, если гипногенная система мозга является всего-навсего выключенной активирующей системой? Вовсе нет, сон – это такой же активный процесс, как и бодрствование. Существуют целые системы мозга, часто сложно-организованные, поддерживающие функционирование синхронизирующих аппаратов. Поскольку сон не однороден по структуре:  есть медленный сон и есть быстрый сон, то у каждого будут свои механизмы и свои анатомические субстраты.

Структуры, ответственные за медленный сон:

  • серотонинергические нейроны ядер шва, играющие роль в процессе засыпания. При повреждении этой системы или фармакологической блокаде серотонина наступает полная или частичная бессонница;
  • ГАМК-ергическая система VLPO или «центр сна Экономо» — главная тормозная система, удерживающая центры бодрствования в выключенном состоянии. Электрическое раздражение этой области током любой частоты неизменно вызывает сон (рис.5);
  • Тормозный центр Моруцци, открытый в 1961 году, расположенный в средней части варолиева моста, способный вызывать сон при электрическом раздражении. При его отделении путем перерезки у кошек продолжительность сна уменьшается на треть. Этот центр тесно связан с каротидным синусом – образованием, расположенным в месте бифуркации общей сонной артерии на наружную и внутреннюю сонные артерии. Этот орган имеет барорецепторы, которые регистрируют и посылают в мозг информацию об артериальном давлении и химических показателях крови. Раздражение каротидного синуса активирует тормозный центр Моруцци, то есть провоцирует засыпание. Не зря эти артерии назвали «сонными», ведь даже в наше время индонезийские знахари при помощи двухминутного массажа каротидного синуса могут вызвать сон;
  • Неспецифические ядра таламуса, которые «открывают ворота» для потока сенсорной информации к коре во время бодрствования и «закрывают» их во время сна. Раздражение низкочастотным током некоторых ядер таламуса синхронизирует потенциалы мозга, погружая его в сон. Сон, наступающий при раздражении таламуса, длительный и неотличим от нормального, причем вызывается легче, чем при раздражении других структур.

NrHSDAuOkxU

Рис.5. В процессе сна VLPO тормозит центры бодрствования. Обозначения: LTD/PPT – холинергические пути латеродорсального тегментума/педункулопонтийного ядра; BF —  холинергические проекции базальной части переднего мозга; LC/PB/PC/DR – глутаматергические и моноаминергические проекции голубого пятна/парабрахиального ядра/подголубого пятна/ядер шва;     vPAG/TMN – глутаматергические и гистаминергические околоводопроводное серое вещество/туберо-маммилярное ядро; VLPO/MnPO – ГАМКергическая вентролатеральная преоптическая область/медианное преоптическое ядро. Источник: Saper et al., Neuron 2011

Мы помним, что в состоянии бодрствования клетки коры тонически деполяризованы, это необходимо для их нормального функционирования и для обработки информации. Все перечисленные структуры, ответственные за медленный сон, обеспечивают тоническую гиперполяризацию нейронов коры головного мозга, что необходимо для восстановления электролитного гомеостаза, нарушенного во время бодрствования. Иными словами, можно сказать, что медленный сон и бодрствование – две стороны одной медали, два дополняющих друг друга процесса. Именно медленный сон может в некоторой степени соотноситься с теорией сна по И.П.Павлову, по которой сон представляет собой разлитое по коре головного мозга торможение.

Продолжение в следующем посте.


Новые посты проще всего отслеживать по анонсам в наших пабликах ВКонтакте и Фейсбуке.

Добавить комментарий

Такой e-mail уже зарегистрирован. Воспользуйтесь формой входа или введите другой.

Вы ввели некорректные логин или пароль

Извините, для комментирования необходимо войти.

5 комментариев

по хронологии
по рейтингу сначала новые по хронологии
1

Сергей, спасибо, очень интересно! Меня заинтересовал феномен с будильником - у самого так 🙂 Но есть еще одна интересная особенность - обострение определенных чувств в зависимости от обстоятельств. Например, можно услышать телефон сквозь шум, если ждешь звонка, или когда ведешь машину - обостряется обоняние и периферическое зрение. Вы что-нибудь можете рассказать про эти механизмы?

2
Сергей

Про сами механизмы вряд ли что-то можно сказать, поскольку такие вещи прицельно учеными изучаются редко. Но гипотезы есть. В частности, такие феномены могут объясняться с позиции учения А.А. Ухтомского о доминанте. Принцип доминанты заключается в том, что в головном мозге образуются очаги возбуждения, отличающиеся высокой устойчивостью, которые образуются от необходимости выполнить какую-то функцию, которая на данный момент важнее всех других функций. И этот очаг существует до тех пор, пока функция не будет выполнена, либо если не возникнет необходимость выполнения другой функции, более важной, чем первая. Например, бывает так, что человек так поглощен выполнением какой-то работы, что забывает поесть, не спит и т.д., т.е. одна функция (выполнение работы) становится более приоритетной, чем все остальные (голод, жажда, сон). Причем этот доминантный очаг в мозге (выполнение важной работы) способен к суммации, то есть самоусилению, при одновременном торможении других более слабых очагов (желание поесть, поспать). С этой позиции можно объяснить то, что у человека обостряются все сенсорные системы (слуховые сигналы, обоняние и др.), которые направлены на выполнение текущей конкретной доминанты. В случае со сном и будильником в этот механизм вплетается влияние наших центральных биологических часов, локализующихся в супрахиазматическом ядре (СХЯ) переднего гипоталамуса. Благодаря этим часам мы ложимся спать и просыпаемся в определенное время, которое задается внешними (свет, температура) или внутренними (время приема пищи) сигналами, так называемыми Zeitgeber’ами. Если каждый день ложиться спать и просыпаться в одно и то же время, то спустя 5-10 дней организм привыкает к такому режиму и самонастраивается на пробуждение в определенное время. Как итог человек просыпается до звонка будильника, за 1-5 минут. В другой ситуации, когда необходимо проснуться в необычное время, например, в 4 утра из-за раннего отправления поезда-автобуса-самолета, то тут уже встраивается принцип доминанты. Оригинальный опыт был проведен группой Яна Борна из Любекского университета. Группе волонтеров, которые должны были провести 3 ночи в лаборатории было сказано, что первую ночь их разбудят в 6 утра, а две последующие в 9 утра, при этом намереваясь каждый день будить их в 6 утра. В те дни, когда волонтеры знали, что их разбудят в 6 утра, их организм заблаговременно (начиная с 4:30 утра) подготавливал их к пробуждению: гипофиз начинал усиленно секретировать адренокортикотропный гормон (АКТГ), повышая его уровень в крови. Так и происходит при спонтанном пробуждении – уровень стресс гормонов (АКТГ и кортизол), а с ним и температура тела и артериальное давление, повышается перед пробуждением, готовя тело к активному периоду. Но в данном эксперименте такой эффект произошел запрограммированно, сознание как-бы проникло в сон и продиктовало когда нужно проснуться и роль СХЯ в этом процессе несомненна (поскольку выработка стресс гормонов находится под его контролем). В те же дни, когда волонтеры не ожидали ранней побудки, их уровень АКТГ в крови был минимальным и поднялся до нормальных значений только через полчаса после пробуждения. Как именно сознание влияет на сон и программирует наши биологические часы до сих пор не известно.

3

Сергей, спасибо за такой развернутый ответ! Достойно отдельного поста, как мне кажется 🙂

4

Добрый день!! Подскажите,пожалуйста, связано ли такое явление как сонный паралич так подробно описанной вами системой выключения/включения коры? Однажды испытал это на себе, состояние было ужасное, все тело было парализовано, не мог открыть даже глаз, когда удалось левый глаз все-таки приоткрыть, увидел страшного домового,который стоял в нескольких сантиметрах от меня...внешне конечно оставался спокоен, но внутренне,не понимал,что происходит... не мог шевелить ни руками,ни ногами, даже перевернуться не мог. Жутко вообщем от этой картины. Буду очень благодарен если вы подробно расскажите причину такого явления, а то не хочется считать себя "шизонавтом"...

5
Сергей Александрович Савельев

Егор, спасибо за вопрос. Кстати, этот топик я собираюсь осветить совсем скоро в очередном посте. Я сам часто переживал сонный паралич, особенно когда был моложе, а по статистике каждый второй-третий по всеми миру хоть раз в жизни испытывал нечто подобное. Описываю, правда, все по-разному, кто-то видит ведьму, кто-то – инопланетян, третьи никого не видят, но чувствуют присутствие кого-то. Попробую кратко объяснить. Сонный паралич - это внезапное пробуждение в фазу быстрого сна. А в эту фазу происходит следующее: мы видим сны, которые по своей природе представляют собой гипнаногические галлюцинации. Визуальные образы создаются определенными участками коры головного мозга и поскольку другие участки коры, ответственные за критическое мышление отключены (префронтальная кора), мы воспринимаем эти образы за реальность. Также в фазу быстрого сна спит передняя поясная извилина, ответственная за наше самосознание, а наши мышцы полностью расслаблены, парализованы (механизм описан в одном из постов, а в последнем посте что происходит, если этот механизм дает сбой). Еще одна особенность фазы быстрого сна - чрезвычайно сильная активность лимбической системы мозга, в том числе миндалины, отвечающей за негативные эмоции - страх, чувство опасности. Именно поэтому наши сны эмоционально окрашенны и в большинстве случаев с негативным оттенком (мы убегаем от опасности во сне и т.д.). Итог: в фазу быстрого сна мышцы парализованы, присутствуют визуальные образы и негативные эмоции (это нормально, о природе и функциях сновидений также скоро будет отдельный пост). Если неожиданно проснуться во время этой фазы, включается передняя поясная извилина - к нам возвращается сознание, мы осознаем, что проснулись, однако все те структуры мозга, которые были активны в быстром сне, продолжают быть активными. Поэтому, проснувшись, мы продолжаем буквально видеть сон наяву и испытывать соответствующие эмоции, оставаясь парализованным. Причем все происходящее кажется нам реальным. Поэтому сонный паралич - вещь чрезвычайно жуткая и пугающая, но безобидная и за болезнь или отклонение не считается.