Сон как фундаментальное свойство нейронных сетей

За последние несколько лет появились данные, поддерживающие теорию о том, что сон ‒ это локальный процесс, зависимый от интенсивности предшествующей работы нейрональных сетей в течение бодрствования. Несмотря на миллионы случаев, не описано ни одного факта полной потери сна после повреждения мозга. Это позволяет говорить о сне как о самоорганизующемся фундаментальном свойстве нейрональных ансамблей. Не лишайте себя регулярного сна ради разговоров с кем-то, просмотра видео или еще чего-либо, если хотите чувствовать себя хорошо на следующий день. Ряд клинических данных, полученных при исследовании пациентов с парасомниями, например, страдающих снохождением, говорит о том, что сон может захватывать не весь мозг. С одной стороны, эти люди бодрствуют, о чѐм свидетельствует их способность к локомоции, а с другой ‒ спят, поскольку не осведомлены о своих действиях. Кроме того, после инсультов и других повреждений головного мозга, в том числе участков мозга, связанных со сном, нарушение сна со временем исчезает.

У людей медленный сон захватывает все участки коры больших полушарий неодновременно: сначала интенсивный дельта-ритм появляется во фронтальных зонах, затем подключаются затылочные области. У кошек в островках коры полушарий с сохранѐнным кровотоком, но изолированных от таламуса через периоды в 10-20 мин на ЭЭГ наблюдаются дельта-волны. В зрительной коре обезьян даже во время выполнения зрительного теста, у некоторых нейронов регистрируется паттерн активности, характерный для периода дельта-сна, когда чередуются периоды гиперполяризации и залпы («burst») потенциалов действия (активности по типу «покой-залп»). Именно подобный режим активности одновременно во многих нейронах и рождает дельта-ритм ЭЭГ. Другими словами, несмотря на бодрствование, в некоторых островках мозга на уровне отдельных нейрональных сетей наблюдаются процессы ‒ маркеры медленного сна.

Функциональными единицами коры полушарий являются так называемые кортикальные колонки. (Колонка кортекса (также называется гиперколонкой или кортикальным модулем) — это группа нейронов, расположенная в коре головного мозга перпендикулярно его поверхности.) Колонки могут пребывать в «соноподобном» («sleep- like») и активном («wake-like») состояниях и являются элементарными структурными единицами, способными к «самостоятельному» сну. Если возбуждать афферентный вход спящей колонки, то с еѐ поверхности будут регистрироваться высокоамплитудные вызванные потенциалы, тогда как бодрствующая колонка ответит на раздражение потенциалом малой амплитуды. Когда человек спит, большинство колонок тоже спят, а когда бодрствует ‒ то пребывают в состоянии бодрствования. При этом во время бодрствования некоторые колонки на время погружаются в «сон». Отдельные кортикальные колонки спят различное время: чем больше времени колонки активны, тем больше вероятность перехода колонок в состояние сна. Кроме того, амплитуда дельта-волн во время сна увеличивается в определѐнном регионе мозга после предшествующей соответствующей тренировки. Так, дельта-волны более выражены в левой соматосенсорной коре в течение медленного сна после продолжительной дневной работы правой рукой.

Таким образом, сон контролируется не только специфическими мозговыми центрами, так называемыми «основными часами» («master clock»), или «первичными водителями» («primary drivers») сна, но и отдельные нейронные ансамбли (sleep state units) могут самостоятельно входить в состояние «медленного» сна. В обычных условиях основные часы срабатывают первыми, запуская и поддерживая механизм сна, однако ввиду важности сна для организма, каждая комната в здании мозга имеет свой выключатель.

Таким образом, во время глобального сна отдельные регионы коры полушарий спят с различной интенсивностью, и индивидуальные кортикальные колонки могут показывать значения на ЭКГ между соноподобным состоянием и «бодрствованием». Хотя большинство мозговых колонок пребывает в том же состоянии, что и весь организм. Подобная синхронизация деятельности колонок может достигаться за счѐт электрических (сетевых) и гуморальных взаимодействий между колонками. Так, нейронные ансамбли скорее впадали в соно-подобное состояние, когда были соединены с колонками, которые пребывали в «спящем» состоянии. Причѐм чем больше синаптических контактов между колонками, тем сильнее взаимодействия между ними.

Циркадные ритмы и сон

Циркадные (циркадианные, или околосуточные) ритмы ‒ циклические колебания интенсивности различных биологических процессов, связанные со сменой дня и ночи. Для человека, как и для большинства организмов на Земле, ведущих дневной образ жизни, период активности и бодрствования соответствует светлому времени суток, период же покоя и сна ‒ тѐмному. Такое распределение активности и покоя в соответствии со временем суток у человека сложилось в процессе его эволюционного развития в условиях периодического чередования ночи и дня. Бодрствование и трудовая деятельность человека в дневное время привели к тому, что днѐм (примерно в 12 и 18 ч) уровень физиологических реакций его организма повышается. Самый низкий их уровень наблюдается ночью (примерно в 2-5 ч), причѐм не только во время сна, но и бодрствования. Так что ваше возможное желание работать ночью и спать днём плохая идея и совсем не привычная для человеческого организма, разве что вы не создадите искуственные условия, такие как очёнь тёмные шторки и свет в квартире, подобный солнечному излучению.

Дьюк (Dijk) и Чейслер (Czeisler) подтвердили роль циркадных ритмоводителей в определении распределения во времени цикла сон-бодрствование и регулировании внутренней структуры сна. В их исследовании 8 людей длительное время находились в условиях, лишѐнных внешних временных ритмозадавателей. При наблюдении за испытуемыми учѐные обнаружили, что в отсутствие таких стимулов, как свет, который позволяет человеку судить о времени суток, подопытные всѐ равно ложились спать и пробуждались в обычное время; таким образом, период ритма сон-бодрствование не изменялся и в течение некоторого времени оставался равным 24 часам, правда через некоторое время он увеличился до 36 часов. Когда испытуемые вернулись к прежним нормальным условиям воздействия на них внешних маркеров хода времени, то 24-часовой цикл был восстановлен. Таким образом, у человека и у многих других животных есть внутренние часы, которые идут даже в отсутствие внешних сигналов.

Центральный эндогенный циркадный пейсмекер локализован в супрахиазматических ядрах (СХЯ) гипоталамуса, которые называют «master clock» ‒ главными часами. Циркадный ритм, в соответствии с которым залпы нейрональной активности претерпевают 24-часовой цикл, организован ткане- специфичными структурами, распределѐнными по всему телу. Эти ткане- специфичные ритмы координируются мелатонином, секретирующимся в тѐмное время, и СХЯ, имеющими вход от сетчатки (через ретино-гипоталамический тракт ‒ РГТ), сигнализирующий об изменении освещѐнности в течение суток. Повреждение СХЯ устраняет циркадные ритмы многих видов поведения, включая сон. В частности, перерезка РГТ ведущего к СХЯ, вызывает у животных поведение, не регулируемое изменением освещѐнности.

Дорсомедиальное ядро гипоталамуса (ДМЯ) ‒ также важный проводник циркадных сигналов к сон- регулирующим системам. Нарушение ДМЯ снижает более чем на 2/3 влияние циркадных ритмов на бодрствование, пищевое поведение, локомоторную активность, уровень кортикостероидов. По мнению Сапера (Saper), ДМЯ также играет роль в координации сна и пищевого поведения животного. Как известно, голодающие животные способны перестраивать свои биологические часы, чтобы увеличить шансы добыть пищу: мыши, которых кормят ночью, подстраиваются под такое расписание, среди ночи эти животные бодры и готовы к кормлению. Возможно, при голодании основные биологические часы (супрахиазматические ядра) «сбрасываются» и включаются «вторые» часы (дорсомедиальное ядро). Уже 16-часовое голодание позволяет «сбросить» и запустить заново биологические часы, поэтому голодание теоретически должно помочь при адаптации цикла сон-бодрствование к смене часовых поясов. Гипоталамические орексиновые нейроны контролируют изменение энергетического баланса и опосредуют адаптивное бодрствование при недостатке пищи. При снижении уровня глюкозы и лептинов в крови у мышей усиливается бодрствование и поведение, направленное на поиск пищи (у мышей с удалѐнными орексиновыми нейронами этого не наблюдается). Используйте эти знания, если хотите перестроить свой режим.

Значение фоторецепторов сетчатки в регуляции цикла сон-бодрствование.

В 1920-е гг. магистрант Гарвардского университета Клайд Килер (Clyde E. Keeler) обнаружил два удивительных факта, связанных с мышами, которых он разводил на своей мансарде. Во-первых, всѐ потомство грызунов было полностью слепо. А во-вторых, их зрачки, несмотря на слепоту, всѐ ещѐ сужались в ответ на изменение освещѐнности в помещении, хотя и медленнее, чем у зрячих животных. Много лет спустя исследователи дополнили наблюдения Килера данными о том, что мыши, с нокаутом генов, ответственных за формирование сетчатки, реагировали на изменения освещѐнности сменой своих циркадных ритмов – «внутренних часов», которые регулируют гормональную активность, температуру тела и сон.

Освещѐнность – это один из самых мощных сигналов, управляющих циркадными ритмами млекопитающих. Освещение в ночное время суток крыс (животные, ведущие ночной образ жизни) вызывает сон, помещение в темноту, наоборот, стимулирует бодрствование. Реакция на свет у млекопитающих происходит только с помощью сетчатки, где выделяют 3 типа фоторецепторных клеток: палочки и колбочки (классические фоторецепторы), и внутренние фоточувствительные ганглионарные клетки (вфГК, от англ. ipRGCs – «intrinsically photosensitive retinal ganglionar cells»). При этом если классические фоторецепторы определяют зрительные образы, формирующие изображение, то вфГК играют ключевую роль в неформирующем изображения зрении. Так, у мышей с повреждѐнными колбочками и палочками свет, как и в норме, действует на циркадные ритмы, однако нарушение одновременно палочек, колбочек и вфГК вызывает сильное ослабление фотопериодичных реакций: синтез мелатонина не подавляется светом, локомоторная активность и сон теряет зависимость от освещѐнности.

У млекопитающих (в том числе человека) за фотопериодичность отвечает особый пигмент меланопсин (ген млекопитающих Opn4m), который экспрессируется в небольшой популяции (2%) ганглионарных клеток сетчатки, формирующих ретино-гипоталамический тракт. Эти клетки, представляющие собой вфГК, обладают непосредственной светочувствительностью и имеют максимум поглощения в диапазоне 470-480 нм. Причѐм вфГК приобретают функциональную активность раньше, чем палочки и колбочки, то есть первая фоторецептивная система, развивающаяся у млекопитающих, представлена вфГК. Эти клетки также вовлечены в регуляцию зрачкового рефлекса (ЗР) на свет, поэтому у трансгенных мышей с нарушением развития палочек и колбочек данная рефлекторная реакция не нарушена. Знаете какому цвету соответствует 470-480 нм? Синему и голубому! Так что ставьте на свои экраны телефонов, планшетов, ноутбуков и компьютеров ночной режим, для того, чтобы не влиять на выработку гормона мелатонина. Я уже поставил на всех устройствах, причем они стоят в течении всего дня, и я стал засыпать гораздо быстрее и сон стал более качественным.

Начинающийся от вфГК ретино-гипоталамический тракт иннервирует вентролатеральное преоптическое ядро, нейроны которого задействованы в инициации медленного сна. Нарушение работы вфГК (за счѐт удаления гена меланопсина) ведѐт к утрате влияния света на сон, тогда как повреждение колбочек и палочек не влияет на чувствительность сна к освещѐнности.