Физиология нормального сна

«Кто познает тайну сна – познает тайну мозга».
— МИШЕЛЬ ЖУВЕ (1925-2017)

Сон – это особое генетически детерминированное состояние организма гомеотермных (теплокровных) животных, характеризующееся закономерной последовательной сменой определенных полиграфических картин в виде циклов, фаз и стадий. [В.М. Коваль­зон, 1993]
1. Состояние сна и пониженной реактивности
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОНЯТИЯ «СОН»
2. Психическая заторможенность, отсутствие реакции на внешние стимулы.
3. Полиграфические признаки
4. Немонотонность, ритмичность
Циклы - периоды 90-мин диурнального (внутрисуточного) ритма
Фазы – медленный (NREM) и быстрый (REM) сон
Стадии 1-4 медленного сна
Полиграфия - ЭЭГ, ЭОГ (электроокулограмма – глазных яблок) и ЭМГ (мышц затылка)
NREM – non-rapid eye movement
REM – rapid eye movement

Цикл «бодрствование – сон»
В регуляции цикла «бодрствование-сон» на системном уровне принимают участие 4 группы механизмов головного мозга:
механизмы поддержания бодрствования
механизмы медленного (NREM) сна
механизмы быстрого (REM) сна
механизмы циркадианных и диурнальных ритмов (околосуточных и внутрисуточных «биологических часов организма)
NREM – non-rapid eye movement
REM – rapid eye movement
https://coollib.com/b/430526-aleksandr-moiseevich-veyn-bodrstvovanie-i-son/read

Механизмы поддержания бодрствования (1)
На уровне ромбовидного мозга:
нейроны синего пятна (норадреналин)
нейроны педункулопонтинной и латеродорзальной покрышки моста (АцХ)
нейроны дорзальных ядер шва (5-НТ)
На уровне среднего мозга:
нейроны ретикулярной формации (глутамат)
нейроны вентральной покрышки и компактной части черного вещества (дофамин)
На уровне межуточного мозга:
нейроны туберомамиллярных ядер заднего гипоталамуса (гистамин)
нейроны срединного гипоталамуса (пептиды гипокретин/орексин и МКГ)
нейроны супрахиазмального ядра (глутамат, нейропептид-тирозин)
На уровне переднего мозга:
нейроны базальной области (АцХ)
нейроны медиальной префронтальной коры (глутамат)
Джузеппе Моруцци (Giuseppe Moruzzi) и Гораций Мэгун (Horace Magoun)

Под воздействием восходящей активации нейроны коры переходят в состояние так называемой «тонической деполяризации», сдвигая свой мембранный заряд в электропозитивном направлении
-70 мВ
-55 мВ
Механизмы поддержания бодрствования (2)

Механизмы медленного сна
Основное скопление тормозных нейронов отмечено в вентролатеральной и срединной частях преоптической области переднего гипоталамуса (VLPO/MPO), а также в базальных ядрах переднего мозга.
ГАМК
галанин
Норадренергические и серотонинергические нейроны ствола
ГАМК-ергические нейроны VLPO
Активирующие системы мозга
Интернейроны 1 и 2 слоев коры,
нейроны ядра одиночного пути

Роль аденозина
Одна из гипотез связывает причину медленного сна с постепенным накоплением в ходе длительного бодрствования аденозина. Аденозин образуется при расщеплении АТФ.
Он взаимодействует с двумя типами специфических метаботропных рецепторов (А1 и А2) на поверхности нейронов и оказывает тормозящее действие на активность последних.
Японскими авторами показана также важнейшая роль простагландина D2 в модуляции аденозинергических нейронов.
Средний почасовой уровень внутриклеточного аденозина в базальной области переднего мозга кошки в ходе 6 ч непрерывного принудительного бодрствования и 3 ч спонтанного восстановительного сна
Источник: Morairty et al, 2004

Стадии медленного сна
1 стадия (дремота):
5-10 мин
снижается мышечная активность
глаза могут совершать медленные движения
тета-ритм (4-7 Гц, амплитуда 50-100 мкВ)
2 стадия (неглубокий, легкий сон)
45-55 % общего времени сна
дальнейшее снижение тонической мышечной активности, сердечный ритм замедляется
температура тела снижается
глаза в основном неподвижны с редкими SREM
повышаются пороги восприятия, а самым чувствительным анализатором становится слуховой (мать просыпается на крик ребенка)
на ЭЭГ тета-волны и появляются характерные паттерны 2 стадии – сонные веретена и К-комплексы
3 (сон умеренно глубокий) и 4 (глубокий)
слабая ЭМГ активность
глаза неподвижны
дельта-колебания (0,5-4 Гц, 150-250 мкВ)
В 3 стадии дельта-волны занимают <50% времени, в 4 стадии дельта-волны >50% времени
Нейробиология сна: современный взгляд: Учебное пособие / Петров А.М., Гиниатуллин А.Р. – Казань: КГМУ, 2012 – 5 с.

Механизмы быстрого сна
Нейроны ствола, вовлеченные в регуляцию быстрого сна, можно разделить на 3 группы:
REM-on – посылают импульсы лишь во время быстрого сна (глутамат-, холин- и ГАМКергические нейроны)
REM-Walking-on – холинергические и глутаматергические клетки ретикулярной формации и базальной области переднего мозга, активные и в бодрствовании, и быстром сне
REM-off – аминергические нейроны, молчащие весь период быстрого сна и вновь включающиеся при переходе к бодрствованию или медленному сну.
Нейронная активность мозга в бодрствовании, медленном и быстром сне
Источник: Rectschaffen, Siegel, 2000

Переключение между фазами сна
REM-off нейроны
серотонин
норадреналин
REM-on нейроны
АцХ
глутамат
ГАМК-эргические нейроны ВЛПЯ, среднего мозга и моста

Фаза быстрого сна
Характеризуется быстрыми движениями глаз, поэтому ее называют сон с быстрыми движениями глаз, или REM-сон.
нерегулярная частота сердечного ритма и дыхания, повышение АД, общая мышечная атония (возможны отдельные сокращения лицевой мускулатуры и конечностей)
ЭЭГ десинхронна (как при бодрствовании), появляются колебания альфа- и бета-диапазона, пилообразные волны (которые специфичны для REM-сна)
Яркие сновидения
Первый эпизод REM-сна наступает через 70-90 мин от момента засыпания и длится 5-10 мин.
Нейробиология сна: современный взгляд: Учебное пособие / Петров А.М., Гиниатуллин А.Р. – Казань: КГМУ, 2012 – 5 с.

Цикл сна
Таким образом, вся эта последовательность называется циклом.
Первый цикл имеет длительность 90-100 мин.
Затем циклы повторяются, при этом уменьшается доля медленного сна и постепенно нарастает доля REM-сна. В первую половину ночи преобладает глубокий сон, а под утро – легкий сон и фаза быстрого сна.
В среднем, при полноценном здоровом сне отмечается 5 (4-6 циклов) полных циклов.
https://static.wixstatic.com/media/6dec25_81cd0bd390154e338d8112aab6a73532~mv2.jpg/v1/fill/w_1147,h_299,al_c,lg_1,q_90,usm_0.66_1.00_0.01/6dec25_81cd0bd390154e338d8112aab6a73532~mv2.webp

Механизмы циркадианной ритмики (1)
Циркадианные ритмы – физиологические и психические явления, возникающие с периодом около суток.
Главная часть биологических часов – центральный осциллятор – расположен в супрахиазмальных ядрах переднего гипоталамуса (СХЯ).
В основе механизма «биологических часов» лежат определенные молекулярно-генетические механизмы. Сущность этих механизмов заключается в синтезе белков, которые с определенной периодичностью подавляют собственный синтез, распадаются и вновь синтезируются. Это следующие гены: clock, bmal1, per, cry, tim и др.
Расположение СХЯ в мозге человека
Источник: Bear MF, Connors B, Paradiso M. Neuroscience: Exploring the Brain. Lipincott, Williams, and Wilkins, Baltimore, 2000.

Механизмы циркадианной ритмики (2)
Обычно цикл реакций у большинства людей составляет 25 ч ? нужна «ежедневная» подгонка биологических часов.
Такая подгонка осуществляется с помощью света.
Светочувствительные ганглиозные клетки сетчатки (содержат меланопсин) ? ретиногипоталамический путь ? СХЯ
https://econet.kz/media/4/covers/175673/original.jpg?1510136567

Механизмы циркадианной ритмики (3)
2. Мелатонин
СХЯ и эпифиз — две половины главных «биологических часов», находящиеся между собой в реципрокных взаимоотношениях: зрительная стимуляция стимулирует нейроны СХЯ и тормозит эпифиз, а мелатонин эпифиза, связываясь с рецепторной зоной в преоптической области, тормозит разряды в СХЯ.
https://econet.kz/media/4/covers/175673/original.jpg?1510136567

Восстановление общего и электролитного гомеостаза мозговой ткани (NREM-сон)
Значение сна
Оптимизация управления внутренними органами (NREM-сон)
Переработка информации, полученной в предшествующем бодрствовании, создание программы поведения на будущее (REM-сон)
https://avatars.mds.yandex.net/get-zen_doc/229614/pub_5b6e9f86d662c600a9f935d1_5b6e9f99a121fd00ab33f5cd/scale_1200

Глимфатическая система (1)
Удаление несвернутых белков («дренажная» гипотеза) (Nedergaard M. с соавт., 2013; 2015)
Глимфатическая система
В бодрствовании астроциты обладают способностью «насасывать» воду из межклеточной жидкости, снижая ее текучесть, и при этом «разбухать», частично перекрывая межклеточное пространство.
Это приводит к накоплению белков, которые не могут быть удалены.
https://avatars.mds.yandex.net/get-zen_doc/1710676/pub_5ddadb78bbabdf0a2baef5c0_5ddadc60505a381a03023de3/scale_1200

Глимфатическая система (2)
Удаление несвернутых белков («дренажная» гипотеза) (Nedergaard M. с соавт., 2013; 2015)
Одной из таких молекул является β-амилоид – белок, который в большом количестве присутствуют у пациентов c болезнью Альцгеймера. Подобные белки, хоть и в небольшом количестве, образуются и в норме в ходе продолжительного бодрствования. В силу крупных размеров они не могут быть выведены с венозной кровью. В головном мозге они выводятся с помощью глимфатической системы, которая активная во время медленного сна. При этом в астроцитах открываются особые микропоры, по которым вода выходит в межклеточное пространство, астроциты «сжимаются», межклеточные каналы расширяются, текучесть межклеточного ликвора повышается и его ток быстро уносит все «вредные» молекулы. Последние диффундируют во внутрижелудочковую среду, откуда с нисходящим током ликвора удаляются и окончательно инактивируются в печени и почках.
https://lh3.googleusercontent.com/proxy/412Z9KGZCDZkoeyO8yTVf951gHCzX8oqeK5gypBaHt2LmKBqraHGngEXVgDzzqRnpc-IN1CuzJr4mpn_RJjjIQl2ry5LLmux7Q3G

Ковальзон В.М. Основы сомнологии. Физиология и нейрохимия цикла «бодрствование-сон». М.: БИНОМ. Лаборатория знаний; 2012.
Петров А.М., Гиниатуллин А.Р. Нейробиология сна: современный взгляд (учебное пособие). Казань: КГМУ; 2012.
Левин Я.И., Полуэктов М.Г., ред. Сомнология и медицина сна. Избранные лекции. М.: Медфорум; 2013.
Ковальзон В.М. Нейрофизиология и нейрохимия сна. В кн.: Левин Я.И., Полуэктов М.Г., ред. Сомнология и медицина сна. Избранные лекции. М.: Медфорум; 2013.
Ковальзон В.М. Нейрофизиология и нейрохимия сна. В кн.: Полуэктов М.Г., ред. Сомнология и медицина сна. Национальное руководство памяти А.М. Вейна и Я.И. Левина. М.: Медфорум; 2016.
Ковальзон В.М. Сон. В кн.: Большая российская энциклопедия. Том 30. M.: БРЭ; 2015.
Ковальзон В.М., Долгих В.В. Регуляция цикла бодрствование-сон. Неврологический журнал. 2016; 21 (6): 316-322. DOI: http://dx.doi.org/10.18821/1560-9545-2016-21-6-316-322.
Боголепова А.Н. Нарушения сна и болезнь Альцгеймера.Неврология, нейропсихиатрия, психосоматика. 2018;10(1):74—77.
Левин Я.И. Сомнология: сон, его структура и функции; инсомния. Русский медицинский журнал. 2007 :1130-1134.
Гайтон, А.К. Медицинская физиология/ А.К. Гайтон , Дж.Э. Холл/ Пер. с англ.; Под ред. В.И.Кобрина. – М.: Логосфера, 2008: 826-831.
Физиология и психофизиология: Учебник для клинических психологов/ Под ред. М.А.Медведева, В.М.Смирнова. – М.: ООО «Медицинское информационное агентство», 2013.
Список литературы