Главный центр сна головного мозга располагается

Сон – это функция мозга. А раз так, то нет ли в головном мозге человека особой области, воздействуя на которую можно было бы управлять процессом сна? Поиск центра сна был главной задачей физиологов со времен И.П.Павлова.

В 1916-17 годах в Европе было зарегистрировано загадочное инфекционное заболевание: у заболевших поначалу поднималась высокая температура, появлялись нарушения зрения, галлюцинации, апатия, а потом развивалась такая разнообразная симптоматика, что не было возможности поставить правильный диагноз.

Всех заболевших связывало лишь одно – все они страдали расстройством сна.

Часть из заболевших страдала бессонницей, в то время как другая – гиперсомнией. Люди могли спать месяцами, просыпаясь лишь для приема пищи. Эта эпидемия унесла жизни 5 миллионов человек и неожиданно прекратилась к 1927 году.

Венский невролог барон Константин фон Экономо (1876 — 1931) детально исследовал заболевание, назвав его летаргическим энцефалитом. Экономо обнаружил, что у всех пациентов, умерших от этого заболевания в гипоталамусе промежуточного мозга присутствовали участки отмерших нервных клеток. Причем, у пациентов страдавших бессонницей, такие поврежденные участки находились в передней части гипоталамуса, тогда как у пациентов с гиперсомнией – в задней части.

Он предположил, что расстройства сна связаны именно с этими участком мозга (рис.1), каждый из которых ответственен либо за состояние бодрствования, либо за состояние сна. Предположение Экономо подтвердилось только в 1996 году группой исследователей из Гарвардского университета (Бостон), которая показала, что клетки передней части гипоталамуса составляют центр сна: они проявляют активность в период сна и молчат в период бодрствования.

Рис.1. Расположение гипоталамуса в мозге человека (выделено красным). Источник: https://ru.wikipedia.org/wiki/Гипоталамус

Затем последовали знаменитые опыты швейцарского физиолога Уолтера Гесса (1881-1973), получившего за них в 1949 году Нобелевскую премию. В 1924 году этот ученый впервые показал, что электрическое раздражение определенных участков мозга кошек при помощи электродов приводит к изменению поведения животного от агрессии до защитных реакций. В частности, раздражение некоторых участков гипоталамуса приводило к немедленному засыпанию животных.

Таким образом, опыты Гесса и наблюдения Экономо убедили научное сообщество в существовании центра сна.

Однако, как оказалось позднее, не все так просто. Выяснилось, что не существует единого центра сна. Вместо этого существует сложная система взаимосвязанных нервных центров, располагающихся на разных уровнях мозга и совместно осуществляющих функции поддержания одного из состояний: либо сна, либо бодрствования.

Принимая во внимание гипотезу о том, что бодрствование млекопитающих – эволюционно более новое, а значит и более сложное, приобретение, не стоит ли поискать сначала центры бодрствования?

Центры бодрствования

По всему стволу мозга от спинного мозга до гипоталамуса и таламуса включительно протянулась область с огромным количеством сетевидно расположенных нейронов – ретикулярная формация ствола мозга. По характеру ЭЭГ было установлено, что перерезка выше ствола мозга, где расположена ретикулярная формация, неизменно вызывала глубокий медленный сон.

К такому же результату приводили разрушение или фармакологическая блокада ретикулярной формации. Если же перерезка осуществлялась ниже этого уровня, такого эффекта не наблюдалось.

Далее были проведены опыты итальянского нейробиолога Джузеппе Моруцци (1910-1986) и американского нейролога Горация Мэгуна (1907-1991), крупнейших исследователей XX века по изучению состояния бодрствования, в котором стимуляция нейронов ретикулярной формации приводила животных к немедленному пробуждению.

С тех пор ученые-сомнологи далеко продвинулись в изучении механизма поддержания сознания в активном состоянии. Было установлено, что уровень бодрствования поддерживается постоянным потоком импульсации, идущей из ретикулярной формации через неспецифические ядра таламуса к нейронам коры головного мозга (рис.2), обеспечивая деполяризацию их мембран.

Рис.2. Ретикулярная формация мозга получает сигналы от сенсорных систем и посылает активирующие импульсы на кору больших полушарий. Источник: https://psychneuro.wordpress.com/2014/02/21/money-the-reticular-formation/

Только такая тоническая деполяризация обеспечивает нормальную работу корковых нейронов, необходимую для сознательной деятельности человека и для обработки поступающей к ним информации.

Таким образом, главной системой мозга, поддерживающей бодрствование, является восходящая активирующая система ретикулярной формации. Эта система формирует не только «тонус коры», но и мышечный тонус, поскольку оказывает активирующее влияние также и на спинной мозг.

Активирующая система мозга является глутаматергической по своей природе и использует в качестве нейромедиатора глутаминовую и аспарагиновую кислоты (основные возбуждающие медиаторы мозга).

Даже во сне «фоновая активность» этой системы не исчезает совсем, а снижается до определенного уровня и пребывает в режиме «stand-by», позволяя нам при необходимости вовремя проснуться. Нужно отметить, что активирующая система мозга получает сигналы не только от сенсорных систем (зрительных, слуховых и прочих анализаторов), но и из коры головного мозга через кортико-таламические пути.

Это означает, что из состояния сна можно выйти не только из-за громкого звука, яркого света или от сильного прикосновения (т.е. сенсорных сигналов достаточной силы, активирующих ретикулярную формацию), но и самопроизвольно за счет того, что кора может регулировать собственное пробуждение.

Примерами могут служить случаи, когда человек просыпается за пару минут до того как прозвенит будильник, поскольку накануне была задана установка проснуться в определенное время по каким-то серьезным причинам. Или когда мать просыпается от небольшого шороха в детской кроватке, но не от шума дороги за окном.

Более того, кора головного мозга может самостоятельно поддерживать состояние активации, несмотря на возрастающий прессинг со стороны гипногенных структур, что позволяет «сопротивляться» сну, если необходимо выполнить какую-то срочную работу или существует что-либо, что в данный конкретный момент важнее сна.

Эти примеры еще раз доказывают главенствующую роль центральных (корковых) механизмов регуляции сна и бодрствования.  Вспомним сросшихся близнецов, за которыми наблюдал П.К. Анохин и которые могли спать независимо друг от друга.

Глутаматергическая система ретикулярной формации хоть и одна из главных, но не единственная в поддержании «тонуса коры». В осуществлении активирующего влияния на кору головного мозга помимо ретикулярной формации принимают участие и другие структуры мозга (рис.3):

Рис.3. «Центры бодрствования» в головном мозге человека и их пути. Обозначения: LTD/PPT – холинергические пути латеродорсального тегментума/педункулопонтийного ядра; BF —  холинергические проекции базальной части переднего мозга; LC/PB/PC/DR – глутаматергические и моноаминергические проекции голубого пятна/парабрахиального ядра/подголубого пятна/ядер шва;     vPAG/TMN – глутаматергические и гистаминергические околоводопроводное серое вещество/туберо-маммилярное ядро. Источник: Saper et al., Neuron, 2011

Голубое пятно (LC) – скопление норадренергических нейронов, располагающихся между мостом и средним мозгом, посылающих свои волокна ко всем отделам мозга и использующих норадреналин в качестве нейромедиатора. Голубое пятно активизирует мозг в условиях стресса или при предъявлении незнакомых стимулов, а также при переходе от медленного сна к быстрому.

После пробуждения уровень норадреналина в мозге вырастает, а после засыпания в период медленного сна – уменьшается. Кстати, не задумывались ли вы – почему хочется спать после еды? Да потому что после еды активируется парасимпатическая нервная система, которая подавляет действие норадреналина, уменьшая его уровень в мозге;

Дорсальные ядра шва (DR) – скопления серотонинергических нейронов продолговатого мозга. Активность этих нейронов, а значит и уровень серотонина, также максимальна в период бодрствования, минимальна в период сна и отсутствует во время быстрого сна. Этим нейронам отводится роль не только в процессах бодрствования, но и в индукции медленного сна.

Между прочим, прием многих транквилизаторов и снотворных, кроме своего прямого эффекта, вызывает истощение мозговых запасов серотонина и норадреналина, что с одной стороны доказывает участие этих медиаторов в процессах сна-бодрствования, а, с другой стороны, показывает – насколько современные снотворные средства небезопасны;

Вентролатеральная преоптическая область (VLPO) расположена в  гипоталамусе. Именно эту область исследовали Константин фон Экономо и Уолтер Гесс. Ее разрушение неизменно приводит к постоянной бессоннице. VLPO активна во время сна, главным образом медленного, и использует в качестве нейромедиатора гамма-аминомасляную кислоту (ГАМК, основной тормозный медиатор мозга).

VLPO активируется веществами, вызывающими сон (серотонин, аденозин и другие эндогенные гипногенные вещества), а ингибируется медиаторами, поддерживающими бодрствование (норадреналин и ацетилхолин);

• Холинергическая система педункулопонтийного ядра (PPT), латеродорсального тегментума (LTD) и базальной части переднего мозга (BF), посылающая свои волокна веерообразно ко всем структурам мозга и использующая в качестве нейромедиатора ацетилхолин. Эта система активна во время бодрствования и в фазе быстрого сна и малоактивна во время медленного сна;
• Задний латеральный гипоталамус с открытым в 1998 году нейромедиатором орексин (гипокретин), чья основная функция – поддержание бодрствования;
• Туберо-маммилярное ядро (TMN), являющееся частью гипоталамуса с нейромедиатором гистамин. Проявляет максимальную активность во время бодрствования, минимальную – во время медленного сна и «молчит» во время быстрого сна;
• Супрахиазматическое ядро (SCN, «биологические часы») ответственно за распределение сна в суточном цикле. Если разрушить эту структуру у крыс, то они будут спать по многу раз в разное время суток, вместо положенного длительного периода в дневное время;

Как видно, бодрствование – сложный активный процесс, вовлекающий множество структур мозга и почти все основные нейромедиаторные системы мозга. Причем, многие структуры вовлечены как в процессы бодрствования, так и в процессы сна.

А объясняется это тем, что в центры бодрствования встроен механизм положительной обратной связи, который представляет собой ГАМКергические нейроны VLPO, способные тормозить активирующие нейроны и сами тормозиться ими. Как только активирующие нейроны ослабляют свою активность – включаются тормозные нейроны и ослабляют их еще сильнее.

Этот процесс идет по нарастающей, пока не срабатывает спусковой механизм, «переключающий» организм либо в состояние бодрствования, либо в состояние быстрого сна, либо в состояние медленного сна. Это так называемая модель флип-флоп переключателя (рис.4).

Рис.4. Схема переключения между состояниями сна и бодрствования. Слева: в состоянии бодрствования активирующая система (красные кружки) блокирует центр засыпания (синие кружки). Орексиновая система (зеленые кружки) стабилизирует состояние. Справа: в состоянии сна центр засыпания блокирует активирующую систему и орексиновую систему. Обозначения: LC – голубое пятно, TMN – туберо-маммилярное ядро, Raphe – дорсальные ядра шва, ORX – орексин, ВЛПО – вентролатеральная преоптическая область. Источник: Шпорк П., 2010.

Только совсем недавно, в 2008-2009 годах установлена главная роль орексина в этой модели. Система регуляции сна может только включаться или выключаться без каких-либо переходных фаз. Главное, чтобы центры засыпания и возбуждения блокировали друг друга.

Орексин же нужен для того, чтобы система то и дело не переключалась с одной позиции на другую. Он возбуждает все центры бодрствования, не подавляя при этом центры сна, то есть создает такие условия, чтобы переключения происходили относительно редко.

Всем известно, что может произойти, если выключить орексиновую систему – нарколепсия, когда днем ни с того ни с сего человек внезапно глубоко засыпает и так же быстро просыпается, причем повторяться это может десятки раз за сутки.

По такому же принципу «переключателя» происходит смена медленного и быстрого сна, но с участием других анатомических субстратов.

Центры сна

Возникает вопрос: а не является ли сон всего лишь отсутствием бодрствования? Есть ли смысл искать центры сна, если гипногенная система мозга является всего-навсего выключенной активирующей системой? Вовсе нет, сон – это такой же активный процесс, как и бодрствование. Существуют целые системы мозга, часто сложно-организованные, поддерживающие функционирование синхронизирующих аппаратов. Поскольку сон не однороден по структуре:  есть медленный сон и есть быстрый сон, то у каждого будут свои механизмы и свои анатомические субстраты.

Структуры, ответственные за медленный сон:

• серотонинергические нейроны ядер шва, играющие роль в процессе засыпания. При повреждении этой системы или фармакологической блокаде серотонина наступает полная или частичная бессонница;
• ГАМК-ергическая система VLPO или «центр сна Экономо» — главная тормозная система, удерживающая центры бодрствования в выключенном состоянии. Электрическое раздражение этой области током любой частоты неизменно вызывает сон (рис.5);
• Тормозный центр Моруцци, открытый в 1961 году, расположенный в средней части варолиева моста, способный вызывать сон при электрическом раздражении. При его отделении путем перерезки у кошек продолжительность сна уменьшается на треть. Этот центр тесно связан с каротидным синусом – образованием, расположенным в месте бифуркации общей сонной артерии на наружную и внутреннюю сонные артерии. Этот орган имеет барорецепторы, которые регистрируют и посылают в мозг информацию об артериальном давлении и химических показателях крови. Раздражение каротидного синуса активирует тормозный центр Моруцци, то есть провоцирует засыпание. Не зря эти артерии назвали «сонными», ведь даже в наше время индонезийские знахари при помощи двухминутного массажа каротидного синуса могут вызвать сон;
• Неспецифические ядра таламуса, которые «открывают ворота» для потока сенсорной информации к коре во время бодрствования и «закрывают» их во время сна. Раздражение низкочастотным током некоторых ядер таламуса синхронизирует потенциалы мозга, погружая его в сон. Сон, наступающий при раздражении таламуса, длительный и неотличим от нормального, причем вызывается легче, чем при раздражении других структур.

Рис.5. В процессе сна VLPO тормозит центры бодрствования. Обозначения: LTD/PPT – холинергические пути латеродорсального тегментума/педункулопонтийного ядра; BF —  холинергические проекции базальной части переднего мозга; LC/PB/PC/DR – глутаматергические и моноаминергические проекции голубого пятна/парабрахиального ядра/подголубого пятна/ядер шва;     vPAG/TMN – глутаматергические и гистаминергические околоводопроводное серое вещество/туберо-маммилярное ядро; VLPO/MnPO – ГАМКергическая вентролатеральная преоптическая область/медианное преоптическое ядро. Источник: Saper et al., Neuron 2011

Мы помним, что в состоянии бодрствования клетки коры тонически деполяризованы, это необходимо для их нормального функционирования и для обработки информации. Все перечисленные структуры, ответственные за медленный сон, обеспечивают тоническую гиперполяризацию нейронов коры головного мозга, что необходимо для восстановления электролитного гомеостаза, нарушенного во время бодрствования. Иными словами, можно сказать, что медленный сон и бодрствование – две стороны одной медали, два дополняющих друг друга процесса. Именно медленный сон может в некоторой степени соотноситься с теорией сна по И.П.Павлову, по которой сон представляет собой разлитое по коре головного мозга торможение.

Продолжение в следующем посте.

Показалось интересным — подпишитесь на анонсы новых статей в наших пабликах ВКонтакте и Фейсбуке.