Почему человек спит: таинственный механизм
Снова коварный мозг заставил нас поверить в реальность происходящего. Но как он это делает? Как ухитряется заставить человека пролежать почти без движения семь и более часов, показывая при этом интереснейшие блокбастеры с захватывающим сюжетом? Причина этого — сложнейшие биохимические процессы, в которых принимают участие не одна и не две структуры мозга, а целая сеть. Как же происходит взаимодействие и «переключение» бодрствования на сон? Как развивается сон, и когда приходят сновидения? Почему иногда, просыпаясь от звонка будильника, мы чувствуем себя способными свернуть горы, а иногда раздраженно готовы крушить все вокруг?
Сквозь пелену времен
Сомнология — наука, изучающая сон — появилась сравнительно недавно, ибо возраст первых фундаментальных исследований в области «царства Морфея» не превышает 120 лет. До этого сну придавалось мистическое значение, как пограничному состоянию между жизнью и смертью. Аристотель говорил: «Сон, по‑видимому, принадлежит по своей природе к такого рода состояниям, как, например, пограничное между жизнью и не жизнью, и спящий и не существует вполне, и существует». Великий врач древности Гиппократ полагал, что сон возникает в результате оттока крови и тепла от головы во внутренние области тела. Это объяснение владело умами европейских ученых и принималось на веру почти две тысячи лет. В одном Гиппократ был прав: причины погружения человека в мир сновидений нужно было искать в голове.
Сеть регуляции сна функционирует как триггер без промежуточных положений. Такой механизм возможен благодаря взаимной блокировке центров засыпания и пробуждения. Как только одна из сторон получает преимущество, вся система моментально переходит в противоположное состояние. Чтобы она не переключалась поминутно туда-обратно, орексин возбуждает все центры бодрствования, не подавляя при этом центр сна. Этот небольшой дисбаланс осложняет переключение как раз настолько, чтобы мы относительно редко переходили от сна к бодрствованию и наоборот. Для перехода ко сну необходимо, чтобы система возбуждения ослабла, а активность центра сна усилилась. Этот медленный процесс знаком каждому как постепенно нарастающее утомление.
И вот наступил ХХ век. В Германии в клинику профессора Штрюмпеля поступает больной, частично потерявший в результате травмы зрение и слух, — оглох на одно ухо и ослеп на один глаз. Врачи подметили, что, когда оба оставшихся «окна в мир» закрывали, больной засыпал. Знаменитый физиолог Павлов заинтересовался этими наблюдениями и решил провести подобные эксперименты на своих любимых подопечных — собаках. Он установил, что если исключить постоянный приток импульсов от органов чувств в кору больших полушарий, то наступает сон. Ученый исследовал также и воздействия монотонных раздражителей, многократно повторяя легкие прикосновения к коже бедра задней лапы. Они практически всегда усыпляли животных, и это дало исследователю право полагать, что сон представляет собой широко распространившееся по коре больших полушарий условное торможение, которое призвано защищать мозг собак от чрезмерно частых повторений какого-либо раздражения.
Следующим шагом на пути преодоления тайн сна стало появление метода электроэнцефалографии (ЭЭГ). В 1905 году немецкий физиолог Ганс Бергер впервые зарегистрировал у человека, находящегося в спокойном состоянии с закрытыми глазами, синусоидальные колебания электрического потенциала с частотой 8−11 Гц, наиболее выраженные в затылочных областях головного мозга. Эти колебания получили название альфа-ритма.
Начало и продолжительность сна регулируются сложными физиологическими процессами, среди которых выделяют два основных — гомеостатическая потребность во сне (так называемый процесс S, стрелки вниз) и внутренние часы (процесс С, стрелки вверх на рисунке). Желтой линией показана «сумма» этих двух процессов.
В 1930 годах ситуация еще немного прояснилась: ученые, перерезав ствол мозга кошки на уровне среднего мозга, вызвали у животного кому — состояние, подобное сну. При этом на кошачьем ЭЭГ наблюдались медленные электрические колебания, которые позднее получили название «сонные веретена» (рисунок напоминал перевернутое набок веретено). Когда же мозг перерезали на уровне первых шейных сегментов, отделяя спинной мозг от головного, удалось получить так называемый препарат бодрствующего мозга: кошка следила глазами за движущимися перед ней объектами, а ЭЭГ показывала колебания с частотой 14−30 Гц (бета-ритм). Стало ясно, что в мозгу животных есть разные структуры — ответственные за засыпание и ответственные за пробуждение.
Центр бодрости
Структуры мозгового ствола кошки, отвечающие за состояние бодрствования, описали еще в конце XIX века Владимир Бехтерев и Сантьяго Рамон-и-Кахаль, которые увидели рассеянное скопление нейронов, пронизанное нервными волокнами, в середине ствола мозга. А вот зачем нужна эта формация, итальянский нейробиолог Джузеппе Моруцци и американский нейролог Хорас Мэгун установили только во второй половине ХХ века. Они назвали эту структуру ретикулярной формацией («ретикула» на латыни означает «сеть»). Именно в мозговом стволе располагаются ядра, которые концентрируют в себе все импульсы от чувствительных рецепторов, идущие в мозг. Длинные отростки (аксоны) нейронов ретикулярной формации соединены с корой больших полушарий и с нейронами спинного мозга. В саму ретикулярную формацию также идут нервные волокна от коры и от спинного мозга, так что образуется сложная система с обратной связью. Сигналы от ретикулярной формации (ретикулярный разряд) запускают механизмы бодрствования в коре головного мозга, а кора в свою очередь управляет состоянием ретикулярной формации.
Ларец со сном
В 1990 году на экраны вышел фильм «Пробуждение», снятый по одноименной книге мемуаров известного психиатра Оливера Сакса. Он рассказывает о странной группе из 80 пожилых пациентов, вот уже более 40 лет страдающих от неизвестной болезни, напоминающей аутизм или болезнь Паркинсона. Пациенты Сакса были последними остававшимися в живых жертвами загадочной эпидемии, внезапно начавшейся в Европе зимой 1916−1917 годов, перекинувшейся затем на весь мир и унесшей в период после Первой мировой войны жизни 5 млн человек. Заболевшие погружались во внезапную апатию и страдали от высокой температуры, нарушений зрения и галлюцинаций. Затем болезнь переходила в хроническую форму и сопровождалась огромным количеством разнообразных клинических проявлений. Но у всех форм была одна общая черта — расстройство сна. Этот факт показался интересным венскому неврологу барону Константину фон Экономо. Он обнаружил, что одни больные спят слишком много, неделями, месяцами, просыпаясь лишь для того, чтобы попить и поесть, тогда как другие полностью теряли сон. На вскрытиях ученый обнаруживал похожую анатомическую картину: на определенном участке промежуточного мозга у пациентов наблюдалась массовое отмирание нервных клеток.
Этот участок мозга называется гипоталамусом, так как расположен под таламусом — областью мозга, перераспределяющей сигналы от органов чувств. Если бы мы могли вставить указательный палец прямо в голову на уровне переносицы, то уперлись бы именно в ту ямку, где он разместился, — «турецкое седло». Гипоталамус — один из важнейших центров, управляющих вегетативной нервной системой, регулирует, в частности, температуру тела, кровяное давление, аппетит, сексуальную потребность и жажду. Всего этого Экономо, разумеется, не знал. Однако он заподозрил, что здесь должен находиться центр, управляющий сном. «Видимо, — заключил исследователь, — эти клетки делают что-то, благодаря чему мы засыпаем».
Сейчас благодаря исследованиям Клифорда Сейпера из Гарвардского университета в Бостоне стало известно, что в гипоталамусе действительно есть специальный участок, который активизируется при засыпании, — вентролатеральная преоптическая область (ВЛПО). Аксоны нейронов из ВЛПО идут вниз, в области, которые поддерживают бодрствование. И наоборот, чтобы не дать нам заснуть, центру бодрости нужно иметь связь с гипоталамусом, так что нервные волокна идут и снизу вверх.
Сейпер и его коллеги сделали следующий вывод: клетки в передней части гипоталамуса представляют собой центр засыпания, который с помощью своих аксонов подавляет центры бодрствования в стволе мозга, включающем средний мозг и мост мозга. Этот процесс в конечном счете приводит к засыпанию. «Возможно, это и есть ключ ко всему механизму, который через гипоталамус управляет состоянием сна и бодрствования», — писал невролог. Так в 2005 году появилась современная концепция сна, которую Сейпер опубликовал в своей статье в журнале Nature. Согласно этой концепции, вся «сонная система» представляет собой сеть из нескольких взаимосвязанных между собой узлов, переключающихся особым образом в определенные моменты времени и регулирующих сон и бодрствование.
Мозговое противоборство
Первая часть общей системы «сон-бодрствование» — тормозящая система. Это ВЛПО в переднем гипоталамусе, от которой к системе бодрствования направляется волна торможения, и это приводит к переводу мозга в «спящий режим». С точки зрения биохимии главной «тормозной жидкостью» системы является гамма-аминомасляная кислота (ГАМК). Воздействуя на специальные рецепторы, она подавляет активность нейронов. ГАМК-рецепторы — это канал в мембране клетки, окруженный большими белковыми молекулами, которые могут менять свою пространственную структуру (условно говоря, «разворачиваться» или «сворачиваться»). При связывании ГАМК с рецепторами просвет канала увеличивается, через него проходит больше ионов хлора, что приводит к снижению электропроводимости мембраны клетки — делает ее менее чувствительной к электрическим воздействиям. А это приводит к угнетению импульсной активности — клетка «снижает обороты» с резвого «галопа» до спокойного «шага».
Вторая часть системы — это система возбуждения, которая базируется на восьми нервных узлах, образующих два параллельных пучка. По ним волны возбуждения проводятся к коре больших полушарий. Один пучок начинается в ретикулярной формации (это ствол головного мозга), другой — в так называемом синем пятне (Locus coeruleus). Находящиеся здесь клетки вырабатывают большую часть всего имеющегося в мозге возбуждающего нейромедиатора норадреналина. Область отвечает за возникновение страха и паники, а также за значительную часть нашего возбуждения.
Есть и другие нейромедиаторы (дофамин, серотонин и другие), но они связаны с иными процессами в мозгу. Тем не менее существует еще один специфический сонный нейромедиатор. В боковом (латеральном) гипоталамусе находится несколько десятков тысяч нервных клеток, вырабатывающих особый нейромедиатор орексин (гипокретин). Это вещество биохимики выделили только в 1998 году. Если орексина слишком мало или если в мозгу не хватает соответствующих ему молекул-рецепторов, возникает редкая болезнь — нарколепсия, которая характеризуется внезапными приступами сонливости и засыпания.
День, ночь — сутки прочь
Однако это только часть механизма сна. Как и вся живая природа, люди живут в соответствии с собственными внутренними ритмами, которые завязаны на циклы смены дня и ночи. Есть время, когда человек предрасположен ко сну, а есть время для активной работы. У организма есть «биологические часы» — мелатонинергическая система. Главные игроки в ней — супрахиазмальные ядра гипоталамуса и шишковидное тело (эпифиз), находящиеся в промежуточном отделе мозга.
Когда на сетчатку глаза попадает свет, информация об этом идет в супрахиазмальные ядра гипоталамуса (малые часы), и потом, пройдя длинный путь, попадает в шишковидное тело, или так называемый третий глаз, который служит очень многим животным, к примеру рептилиям и птицам, детектором уровня освещенности. У человека в процессе эволюции большие полушария мозга значительно увеличились, закрыв эпифиз, и он потерял связь со светом. Пришлось природе «придумывать» весь этот сложный и существующий ныне путь регуляции синтеза «сонного» гормона.
В эпифизе производится мелатонин — гормон ночи и темноты. Когда вечером снижается уровень освещенности, начинается выработка мелатонина, передающего клеткам сигнал об «окончании рабочего дня». Основная его функция — тормозное воздействие на супрахиазмальные ядра, через которые осуществляется активация систем бодрствования.
Этот процесс можно сравнить с работой термостата, поддерживающего в холодильнике определенную температуру. Чем дольше мы живем активной жизнью, тем с большей силой центр засыпания испытывает потребность щелкнуть переключателем на сон. Чем дольше мы спим, тем меньше потребность в сне, так что в какой-то момент система бодрствования берет верх, и мы просыпаемся и чувствуем, что выспались. Такая модель регуляции называется двухфакторной, и разработал ее в 1982 году заведующий отделением психофармакологии и сомнологии Цюрихского университета Александр Борбели. Согласно ей наша потребность в сне в определенный момент времени есть результат взаимодействия хронобиологических и гомеостатических (поддерживающих внутреннее равновесие) факторов. Эти компоненты ученый назвал процессом S и процессом С. Процесс S — гомеостатическая составляющая потребности в сне, а процесс С — влияние внутренних часов, главная задача которых — оставить для долгого сна именно ночь.
«Процесс S, напротив, напоминает песочные часы, — говорит Борбели. — Во время бодрствования песок пересыпается сверху в нижний сосуд, при засыпании часы переворачиваются». Поэтому для ощущения хорошего отдыха важно не только то, сколько времени подряд мы проспали, но и то, сколько времени мы потратили в течение дня, чтобы сформировать составляющую S. А это имеет неплохое практическое применение, известное многим: если вы знаете, что в ближайшую ночь вам не удастся выспаться, можно попробовать поспать заранее в середине предыдущего дня. И тогда вы будете чувствовать себя намного лучше.
И это только поверхностный взгляд на систему, ответственную за сон. Как говорит сомнолог из Регенсбурга Юрген Цулли, «сон — это не покой, это другое бодрствование».
