Що таке сон, для чого він потрібен 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 періодів 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 "постійність внутрішнього середовища є запорукою вільного життя", змушені, подібно своїм холоднокровним предкам, кожну добу на кілька годин впадати в стан нерухомості та ареактівності?
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 уявлення. Так, на початку 80-х років співробітники I Московського медичного інституту В. С. Ротенберг і С.І.Кобрін, 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 ареактивность, тобто психічну загальмованість, відсутність реакції на зовнішні стимули. По-перше, це "апостеріорного" ознака сну, оскільки поріг пробудження можна визначити, лише розбудови людини. По-друге, ареактивность, так само як і нерухомість, що не є достатньою ознакою, оскільки вона характерна для цілого ряду захворювань і інших патологічних станів: фармакологічного сну, наркозу, коми та ін.
Який сон важливіше - повільний або швидкий?
Поява електроенцефалографії в 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), електроміограми (ЕМГ), електроокулограмми (ЕОГ), то природно визначати сутність 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 та 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 "сноподобних 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 "особливе 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 щодо сну: не давати випробуваному або випробуваному тварині спати протягом деякого часу і подивитися, що при цьому змінюється в організмі та поведінці. Вперше такі досліди виконала більше 100 років тому російська вчена М.М.Манасеіна (1843-1903), яка стала по суті основоположником "науки про сон" - сомнологи.
У нашому столітті в експериментах на тваринах і в спостереженнях за здоровими людьми неодноразово намагалися з'ясувати, до чого призводить позбавлення сну (депривація). Однак 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. Спостерігалася лише підвищена сонливість, втомлюваність, 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 тільки в дослідах на тваринах. Так, в 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 в дослідах на мавпах описав І.Н.Пігарев [3] (Інститут проблем передачі інформації РАН), а Л.М.Мухаметов з співробітниками (Інститут проблем екології та еволюції ім.А.Н.Северцова РАН) 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 ні 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 (зміни 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 кожен раз приблизно за добу до загибелі тварини. Якщо на цьому тлі експеримент припинявся, то пацюк вже не могла заснути і амплітуда ЕЕГ не відновлювалась; 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 геніальний здогад М.Жуве, вперше висловлену майже 40 років тому.
Один з головних питань, які 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 підкоркових, так званих активують, структур [5]. Завдяки їх діям в пильнуванні мембрана більшості кортикальних нейронів деполяризована на 10-15 мВ в порівнянні з потенціалом спокою - (65-70) мВ. Тільки в стані цієї тонічної деполяризації нейрони здатні обробляти інформацію і відповідати на сигнали, що приходять до них від інших нервових клітин (рецепторних і внутрішньомозкових).
Як зараз ясно, таких систем тонічної деполяризації, або активації мозку (умовно "центрів неспання"), кілька - ймовірно, п'ять або шість. Знаходяться вони на всіх рівнях мозкової осі: в ретикулярної формації стовбура, в області блакитного 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.
(Збільшити малюнок)
Здавалося б, якщо в мозку є "центри неспання", то принаймні повинен бути один "центр сну". Однак в останні роки з'ясувалося, що в самі "центри неспання" 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-аміномасляна кислота, 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 стародавньої 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 в 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", що викликається трипаносомою , яка передається через укуси мухи цеце і ін.
Пряма реєстрація одиночної активності нейронів мозку в експериментах на лабораторних тваринах показала, що в стані (в 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, але і зберігається в пам'яті, різко погіршуються. Однак середня частота імпульсації коркових і таламических нейронів не знижується, а у ГАМК-ергічних (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 гиперполяризация. При цьому напрямок руху через клітинну мембрану основних іонних потоків (катіонів Na +. K +. Ca 2+. Аніонів Cl -), а також найважливіших макромолекул змінюється на протилежне.
Таким чином, можна було б сказати, що під час повільного сну відновлюється мозкової гомеостаз, порушений в ході 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 в 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 штучної хронічної депривації механізми неспання і повільного сну починають функціонувати дифузно і одночасно. При цьому, зрозуміло, страждає нормальна поведінка, зате, незважаючи на депрівірующее вплив, відновлюється мозкової гомеостаз.
Однак і тут все не так просто. Нещодавно Пигарев 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 интероцептивной імпульсації.
Таким чином, на порозі XXI ст. функція повільного сну, здається, починає, нарешті, вимальовуватися: це відновлення гомеостазу мозкової тканини і оптимізація управління внутрішніми органами. Для гігієни сну це означає підтвердження старого, як світ, але чомусь забутого правила: без хорошого сну не може бути хорошого 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 центру, розташованого в задній частині мозку, в області варолиева моста і довгастого мозку, а медіаторами служать ацетилхолін, глутамінова і 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. В цьому і полягає парадоксальність цього стану [9].