Що таке сон, для чого він потрібний організму? Питання про функціональне призначення настільки буденного стану здається настільки наївним, що навіть не вимагає роздумів: звичайно, для відпочинку! Однак така відповідь породжує ланцюжок нових питань: що таке відпочинок? Чому він так тривала і настільки складно організований? Чому приурочений до певних періодах доби? Чому для відпочинку недостатньо тілесного спокою, а необхідно ще й вимикання органів почуттів, що, здавалося б, різко підвищує уразливість по відношенню до несприятливих факторів середовища? Чому теплокровні тварини, у яких "сталість внутрішнього середовища є запорукою вільного життя", змушені, подібно своїм предкам холоднокровним, кожну добу на кілька годин впадати у стан нерухомості й ареактивності?
Протягом багатьох століть сон розглядалося саме за цими зовнішніми ознаками, тобто станом спокою і зниженої реактивності. Такому підходу не змогло перешкодити навіть формування уявлень про двох станах "всередині" природного сну, принципово відмінних один від одного і від неспання (повільнохвильовий і парадоксальна фази).
Однак останнім часом з'являється все більше число фактів, які не вкладаються в такі подання. Так, на початку 80-х років співробітники I Московського медичного інституту В. С. Ротенберг і С. І. Кобрин, вивчаючи сон хворих з повною атрофією м'язової системи, не виявили його скорочення, хоча ці хворі зовсім не потребували соматичному (тілесному) "відпочинку". Значить, сон не є спокій, а тілесний відпочинок зовсім не обов'язковий елемент фізіологічного сну.
Аналогічним чином можна розглянути і таку загальноприйняту характеристику сну, як ареактівность, тобто психічну загальмованість, відсутність реакції на зовнішні стимули. По-перше, це "апостеріорний" ознака сну, оскільки поріг пробудження можна визначити, лише розбудивши людини. По-друге, ареактівность, так само як і нерухомість, не є достатньою ознакою, оскільки вона характерна для цілого ряду захворювань та інших патологічних станів: фармакологічного сну, наркозу, коми і пр.
Який сон важливіше - повільний або швидкий?
Поява електроенцефалографії у другій половині XX ст. дозволило, нарешті, суворо розмежувати фази сну і тим самим підійти до з'ясування їх фізіологічної ролі. Оскільки ідентифікацію сну, його фаз і стадій фізіологи проводять на основі загальноприйнятих, так званих поліграфічних, критеріїв, поліграм - електроенцефалограми (ЕЕГ), електроміограма (ЕМГ), електроокулограма (ЕОГ), то природно визначати суть сну за цими показниками. Однак і тут ми стикаємося з тими ж труднощами: немає жодної ознаки, достатнього для визначення сну. Окремі характеристики повільного і парадоксального сну на ЕЕГ іноді зустрічаються і в інших станах. Так, при різних формах патології і під впливом фармакологічних препаратів на ЕЕГ спостерігаються ті чи інші зміни, "що імітують" певні стадії сну.
Нічний сон людини. Видно, що протягом ночі проходять чотири цикли сну, причому вони нерівнозначні: в першу половину ночі переважає глибокий повільний сон, а в ранкові години - парадоксальний, супроводжуваний сновидіннями. Зміна поз характерна до і після кожного періоду парадоксального сну (виділене), який супроводжується інтенсивної психічної активністю, рухом очей і активністю нейронів ретикулярної формації стовбура.
Найімовірніше необхідним і достатнім ознакою сну можна вважати ритмічність, тобто чергування певних фізіологічних ознак (поліграфічних картин), що дозволяють відрізнити нормальний сон від монотонних "сноподобнимі станів". Відповідно і критерієм "нормальності" сну служить циклічне чергування стадій 1-2-3-4 повільного сну, яке завершується парадоксальною фазою. На основі такого підходу сучасне визначення сну звучить наступним чином: це "особлива генетично детерміноване стан організму людини (і теплокровних тварин, тобто ссавців і птахів), що характеризується закономірною послідовною зміною певних поліграфічних картин у вигляді циклів, фаз і стадій" [1 ].
Що ж лежить за цим циклічним чергуванням? Яке призначення кожної з двох фаз сну? У фізіології для розуміння функцій окремого органу застосовують класичний метод руйнування: якщо пошкодити або видалити даний орган, то, знаючи наслідки і адекватно витлумачуючи їх, можна з'ясувати його роль. Подібний підхід використовують і у відношенні сну: не давати досліджуваному або піддослідного тварині спати протягом деякого часу і подивитися, що при цьому змінюється в організмі і поведінці. Вперше такі досліди виконала більше 100 років тому російська вчена М. М. Манасеіна (1843-1903), яка стала по суті основоположником "науки про сон" - сомнології.
У нашому столітті в експериментах на тваринах і в спостереженнях за здоровими людьми неодноразово намагалися з'ясувати, до чого призводить позбавлення сну (депривація). Проте лише з використанням електроенцефалографії такі спроби отримали наукове обгрунтування. Дослідження останніх років на людях дали до деякої міри парадоксальні результати: депривація протягом однієї або декількох діб найбільш м'яким, щадним способом не призводила до серйозних порушень в організмі і психіці суб'єктів. Спостерігалась лише підвищена сонливість, стомлюваність, дратівливість, неуважність. Здавалося, що головний результат позбавлення сну - зростаюча потреба в ньому!
Природно, подібні роботи на людях не можуть тривати більше 2-3 діб; тому наслідки тривалого позбавлення сну вивчають лише у дослідах на тваринах. Так, у 80-і роки група американських фахівців (А. Речшаффен і співробітники) отримала принципово важливі результати. Як показали експерименти, якщо при перших ознаках сну на ЕЕГ (поява сонних веретен і дельта-хвиль) тварин будити, то настає тимчасове "дроблення" сну на дуже короткі періоди і його просторова "локалізація", коли сон протікає в окремих ділянках мозку [2 ]. Подібний феномен у дослідах на мавпах описав І. М. Пігарєв [3] (Інститут проблем передачі інформації РАН), а Л. М. Мухаметов зі співробітниками (Інститут проблем екології і еволюції РАН ім.А.Н.Северцова) спостерігали чергується однополушарний повільний сон у дельфінів і вухатих тюленів [4].
Зіставивши ці результати з деякими іншими даними по хронічної депривації за допомогою фізичних методів, ми прийшли до несподіваного висновку: повністю виключити повільний сон в принципі неможливо.
Як показали експерименти, через кілька тижнів від початку хронічної депривації у щурів "тиск" повільного сну зменшилася, і якщо депривація припинялася, то "віддачі" повільного сну не спостерігалося. Ясно, що спочатку це "тиск" росте, а потім, після досягнення деякого критичного рівня, - спадає нанівець в результаті поступової адаптації феноменів і структури повільного сну до умов депривації.
Абсолютно протилежні результати отримані щодо парадоксального сну. Досліди Речшаффена і співробітників продемонстрували, що, який би вид депривації сну не проводився (тотальне позбавлення сну, виборче позбавлення повільної або парадоксальної фази), в результаті завжди критично пригнічення саме парадоксального сну. Рано чи пізно воно призводить до одних і тих же драматичних наслідків (зміні зовнішнього вигляду, поведінки і внутрішніх органів), які через кілька "безсонних" тижнів завершуються неминучою загибеллю тварин. Характерно, однак, що безпосередньої причини їх загибелі виявити не вдалося.
Цікаво, що у щурів спостерігалося різке падіння амплітуди ЕЕГ після хронічної депривації, яке виникало щоразу приблизно за добу до загибелі тварини. Якщо на цьому тлі експеримент припинявся, то пацюк вже не могла заснути і амплітуда ЕЕГ не відновлювалася, і тільки смерть все одно наставала протягом доби. Отже, це падіння амплітуди ЕЕГ вказувало на якийсь необоротне порушення роботи мозку, викликане позбавленням парадоксального сну. Якщо ж досвід припинявся на пізньому етапі депривації, але до настання цього критичного моменту, то спостерігалася потужна "віддача" тільки парадоксального сну, незалежно від того, який вид депривації застосовувався - позбавлення всього сну, парадоксального або повільного.
Таким чином, досліди з тривалим позбавленням сну у лабораторних тварин ще раз показують, що сон включає два принципово різних стану організму - повільнохвильовий і парадоксальну (швидку) фази, підтверджуючи геніальну здогадку М. Жуве, вперше висловлену майже 40 років тому.
Механізми сну
Одне з головних питань, що хвилювали фізіологів ще з часів Павлова, - це існування в мозку "центру сну". У другій половині нашого століття пряме вивчення нейронів, залучених в регуляцію сну-неспання, показало, що нормальна робота таламо-кортикальної системи мозку, що забезпечує свідому діяльність людини в стані, можлива тільки за участю певних підкіркових, так званих активують, структур [5]. Завдяки їх діям в пильнуванні мембрана більшості кортикальних нейронів деполяризувати на 10-15 мВ у порівнянні з потенціалом спокою - (65-70) мВ. Тільки в стані цієї тонічної деполяризації нейрони здатні обробляти інформацію і відповідати на сигнали, які надходять до них від інших нервових клітин (рецепторних і внутрішньомозкових).
Як зараз ясно, таких систем тонічної деполяризації, або активації мозку (умовно "центрів неспання"), декілька - ймовірно, п'ять або шість. Розташовуються вони на всіх рівнях мозкової осі: в ретикулярної формації стовбура, в області блакитної плями і дорзальних ядер шва, в задньому гіпоталамусі і базальних ядрах переднього мозку. Нейрони цих відділів виділяють медіатори - глутамінової та аспарагінову кислоти, ацетилхолін, норадреналін, серотонін і гістамін, активність яких регулюють численні пептиди, що знаходяться з ними в одних і тих же везикулах. У людини порушення діяльності будь-якої з цих систем не компенсується за рахунок інших, несумісне з свідомістю і призводить до коми.
Загальна схема будови мозку і його фрагмент (внизу), де в основному розташовані центри неспання і парадоксального сну (виділене); вказані відповідні медіатори.
Здавалося б, якщо в мозку є "центри пильнування", то принаймні повинен бути один "центр сну". Однак в останні роки з'ясувалося, що в самі "центри пильнування" вбудований механізм позитивного зворотного зв'язку. Це особливі нейрони, які здійснюють гальмування активують нейронів і самі гальмуються ними. Такі нейрони розкидані по різних відділах мозку, хоча найбільше їх в ретикулярної частини чорної речовини. Всі вони виділяють один і той же медіатор - гамма-аміномасляної кислоти, головне гальмівне речовина мозку. Варто тільки активує нейронам послабити свою діяльність, як включаються гальмівні нейрони і послаблюють її ще сильніше. Протягом деякого часу процес розвивається по низхідній, поки не спрацьовує якийсь "тригер" і вся система перемикається або в стан неспання, або парадоксального сну. Об'єктивно, цей процес відображає зміна картин електричної активності головного мозку (ЕЕГ) по ходу одного повного циклу сну людини (90 хв).
Останнім часом увагу дослідників залучено ще до однієї еволюційно древньої гальмівній системі головного мозку, що використовує в якості медіатора нуклеозид аденозин. Японський фізіолог О. Хаяйсі з колегами показали, що синтезується в мозку простагландин D2 бере участь у модуляції аденозінергіческіх нейронів. Оскільки головний фермент цієї системи - простагландіназа-D - локалізована в мозкових оболонках і хороідном плексусе, очевидна роль цих структур у формуванні певних видів патології сну: гиперсомнии при деяких черепно-мозкових травмах і запальних процесах менінгеальних оболонок, африканської "сонної хвороби", спричиненої трипаносомою , яка передається через укуси мухи цеце і пр.
Пряма реєстрація одиночної активності нейронів мозку в експериментах на лабораторних тварин показала, що в стані (у стані тонічної деполяризації) характер розрядів таламо-кортикальних клітин високо індивідуальний. Але в міру поглиблення сну і наростання синхронізованою активності в ЕЕГ починають переважати більш потужні гальмівні постсинаптичні потенціали, що перемежовуються періодами екзальтації - високочастотними спалахами нейронних розрядів (такий малюнок нейронної активності називається "пачка-пауза").
Тоді з'являється "хорова" активність нейронів, і умови для переробки інформації в мозку, причому не тільки надходить від органів чуття, а й зберігається в пам'яті, різко погіршуються. Однак середня частота імпульсації коркових і таламических нейронів не знижується, а у ГАМК-ергічні (гальмівних) нейронів вона навіть значно підвищується. Що стосується активують нейронів, то їх розряди стають рідше. Ці нейрофізіологічні феномени добре корелюють з відомими даними про поступове гальмуванні психічної активності в міру поглиблення повільного сну у людини [6].
Якщо з точки зору нейронної активності неспання - це стан тонічної деполяризації, то повільний сон - тонічна гіперполяризація. При цьому напрям руху через клітинну мембрану основних іонних потоків (катіонів Na +, K +, Ca2 +, аніонів Cl-), а також найважливіших макромолекул змінюється на протилежне.
Таким чином, можна було б сказати, що під час повільного сну відновлюється мозкової гомеостаз, порушений під час багатогодинного неспання. З цієї точки зору неспання і повільний сон - як би "дві сторони однієї медалі". Періоди тонічної деполяризації і гіперполяризації повинні періодично змінювати один одного, щоб зберегти сталість внутрішнього середовища головного мозку і забезпечити нормальну роботу таламо-кортикальної системи - субстрату вищих психічних функцій людини. Звідси ясно, чому в мозку немає єдиного "центру повільного сну" - це значно зменшило б надійність всієї системи, зробило б її більш жорстко детермінованої, цілковито залежить від "капризів" цього центру у разі будь-яких порушень його роботи.
З іншого боку, стає також зрозуміло, чому майже неможливо тривалий повне придушення повільного сну: в нормі активність періодично змінюється спокоєм, неспання - повільним сном, що охоплює весь мозок цілком. Відомо, що при штучній хронічної депривації механізми бадьорості і повільного сну починають функціонувати дифузно і одночасно. При цьому, зрозуміло, страждає нормальна поведінка, зате, не дивлячись на депрівірующее вплив, відновлюється мозкової гомеостаз.
Однак і тут все не так просто. Нещодавно Пігарєв в дослідах на кішках показав, що в міру розвитку синхронізації в ЕЕГ первинні нейрони зорової та слухової кори перестають реагувати на специфічні стимули і починають все більшою мірою відповідати на імпульсація, що приходить в кору з боку внутрішніх органів [7]. Беручи до уваги виявлені особливі Ca - канали на мембрані багатьох кіркових нейронів, які відкриваються при гіперполяризації, можна припустити, що в повільному сні мозок не припиняє переробляти інформацію, а переходить від обробки зовнішніх сигналів до інтероцептивних імпульсації.
Таким чином, на порозі XXI ст. функція повільного сну, здається, починає, нарешті, вимальовуватися: це відновлення гомеостазу мозкової тканини та оптимізація управління внутрішніми органами. Для гігієни сну це означає підтвердження старого, як світ, але чомусь забутого правила: без хорошого сну не може бути доброго неспання!
Зовсім по-іншому йде справа з парадоксальним сном, який, на відміну від повільного сну, має яскраво виражену активну природу [8]. Парадоксальний сон запускається з чітко окресленого центра, розташованого в задній частині мозку, в області варолієва моста і довгастого мозку, а медіаторами служать ацетилхолін, глутамінова та аспарагінова кислоти. Під час парадоксального сну клітини мозку надзвичайно активні, але інформація від органів почуттів до них не надходить і не подається на м'язову систему. У цьому і полягає парадоксальність цього стану [9].
Фрагменти поліграми на різних стадіях сну. Видно, що для зміни стадій повільного сну характерне поступове збільшення амплітуди і зниження частоти хвиль ЕЕГ, зміна швидких рухів очей повільними, аж до повного зникнення (ЕОГ реєструється на тлі ЕЕГ і виділені кольором), прогресивне зменшення амплітуди ЕМГ. При парадоксальному сні ЕЕГ така ж, як за стані, ЕОГ демонструє швидкі рухи очей, а ЕМГ майже не реєструється.
Мабуть, при цьому інтенсивно переробляється інформація, отримана в попередньому пильнуванні і зберігається в пам'яті. Відповідно до гіпотези Жуве, в парадоксальному сні, поки незрозуміло як, в нейрологическую пам'ять передається спадкова, генетична інформація, що має відношення до організації цілісного поведінки. Підтвердженням таких психічних процесів є поява в парадоксальному сні емоційно забарвлених сновидінь у людини, а також виявлений Жуве зі співробітниками і детально досліджений Е. Моррісоном з колегами феномен демонстрації сновидінь у піддослідних кішок [10]. Вони з'ясували, що в мозку кішок є особлива область, відповідальна за м'язовий параліч під час парадоксального сну. Якщо її зруйнувати, піддослідні кішки починають показувати свій сон: тікати від уявної собаки, ловити уявну миша і т.д. Цікаво, що "еротичні" сни у кішок ніколи не спостерігалися, навіть у шлюбний сезон.
Хоча в парадоксальному сні деякі нейрони ретикулярної формації стовбура і таламо-кортикальної системи демонструють своєрідний малюнок активності, відмінності між мозковою діяльністю в пильнуванні і парадоксальному сні досить довго виявити не вдавалося. Це було зроблено лише в 80-і роки. Виявилося, що з усіх відомих активуючих мозкових систем, які включаються при пробудженні і діють під час неспання, в парадоксальному сні активні лише одна-дві. Це системи, розташовані в ретикулярної формації стовбура і базальних ядрах переднього мозку, що використовують як передавачів ацетилхолін, глутамінової та аспарагінову кислоти. Всі ж інші активуючі медіатори (норадреналін, серотонін і гістамін) в парадоксальному сні не працюють. Це мовчання моноаміноергіческіх нейронів стовбура мозку визначає відмінність між неспання і парадоксальним сном, або на психічному рівні - розходження між сприйняттям зовнішнього світу і сновидінь [11].
Незрозумілим залишалося все-таки, як ця активація, настільки відмінна від неспання, відбивається на роботі кори. Лише в 1996-1997 рр.. три незалежні дослідження виявили в парадоксальному сні (методом позитронної емісійної томографії) високоспецифічний характер просторового розподілу активації та інактивації певних ділянок кори і деяких підкіркових ядер в мозку людини [12].
Павлов і природа сну
Відомо, що Павлов надзвичайно цікавився проблемою сну і вважав її однією з ключових у вивченні вищої нервової діяльності. Всі знають його визначення сну як "розлитого коркового гальмування". Після відкриття парадоксального сну здавалося, що павловська теорія в цій своїй частині безнадійно застаріла. Зрозуміло, думка про створення фізіології сновидінь "і уві сні не могла йому наснитися", якщо доречно навести такий каламбур. Однак, справедливості заради, слід нагадати, що ідея про три форми існування - неспання, спокійний сон і сон зі сновидіннями - вперше прозвучала в Упанішадах, давньоіндійському епосі. В історії ж європейської культури таке, здається, не приходило в голову ніколи і нікому до Жуве. Навіть першовідкривачі парадоксального сну - Н. Клейтман, Ю. Азерінскій і В. Демент назвали цей стан stage-1-REM, тобто стадією засипання (дрімотою) з швидкими рухами очей, сприймаючи його лише як перехідний між неспанням і сном!
Якщо ж взяти повільноколивний (ортодоксальний) сон, сон взагалі, то зараз, на рубежі століть, доречно запитати: а чи так уже неправий був Павлов у своїх уявленнях про сон? Зрозуміло, в ту, "доелектрофізіологіческую" епоху ці уявлення могли бути лише чисто інтуїтивними. Але читач цієї статті, знаючи про потужну активації гальмівних нейронів і викиді їх медіаторів - ГАМК і аденозину в повільному сні, про активацію, яка починається в локальних таламо-кортикальних областях і поступово поширюється по всій системі, про тонічної гіперполяризації як періоді своєрідного функціонального відновлення нейронів тощо, має право сам судити, підвела чи інтуїція цього разу геніального вченого.
В кінці свого довгого життя, в 1935 р., Павлов висловив таку думку: "Ясна річ, що наша денна робота представляє суму подразнень, яка обумовлює відому суму виснаження, і тоді ця сума виснаження, що дійшла до кінця, і викликає автоматично, внутрішнім гуморальним шляхом, гальмівний стан, що супроводжується сном ". Цю формулювання можна назвати пророчою - вона звучить цілком актуально і в наші дні.
Список літератури
1. Ковальзон В.М. / / Журн. еволюції. біохімії та фізіології. 1993. Т.29. № 5-6. С.627-634.
2. Rechtschaffen A. et al. / / Science. 1983. V.221. № 4606. P.182; Sleep Research. 1984. V.13. P.185, 190, 191.
3. Pigarev IN / / Neuroreport. 1997. V.8. № 11. P.2557-2560.
4. Ковальзон В.М., Мухаметов Л.М. / / Журн. еволюції. біохімії та фізіології. 1982. Т.18. № 3. С.307-310.
5. Steriade M. / / Science. 1996. V.272. P.225-226.
6. Steriade M. / / Neurology. 1992. V.42. Suppl.6. P.9-18.
7. Pigarev IN / / Neurosсience. 1994. V.62. P.1237-1243.
8. Jones BE / / Neuroscience. 1991. V.40. № 3. P.637-656.
9. Jouvet M. / / Sleep. 1994. V.17. № 8. P.S77-S83.
10. Моррісон Е. У світі науки. 1983. № 6. С.62-71.
11. Hobson JA, Stickgold R., P ace - S chott EF / / Neuroreport. 1998. V.9. № 3. P.R1-R14.
12. Maquet P., Peters F.-M., Aerts J. et al. / / Nature. 1996. V. 383. P. 163-166.
13. В. М. Ковальзон, доктор біологічних наук. Інститут проблем екології та еволюції ім. А. Н. Северцова РАН, Москва. "Природа сну"