Alexander Vitkovski (alev_biz) wrote,
Alexander Vitkovski
alev_biz

Кому и зачем нужен сон?

Вряд ли найдётся человек, которому незнакома проблема недосыпа. Мало того что недосып – штука весьма неприятная, отсутствие сна может привести к смерти. Было показано, что крысы, которым искусственно не давали спать, погибали через две-три недели.

Кому и зачем нужен сон

Удивительно, но, несмотря на насущность проблемы, мы так и не знаем, почему нам так плохо от недосыпа и почему сон жизненно необходим. Вообще, мы знаем о биологических основах сна до смешного мало. Может быть, разобраться в биологии сна поможет изучение сна у других животных? Чем вообще сон животных отличается от сна человека, когда и зачем сон появился в ходе эволюции? Об этих интереснейших вопросах мы поговорим в нашей статье. Но сначала, наверное, стоит напомнить основные сведения о биологии сна.



Биология сна: базовые сведения


Человек проводит во сне примерно треть жизни. Каждому известно, что сон необходим, как еда и вода, причём, в объёме не менее 8 часов в сутки (хотя биохакеры и пытаются всеми правдами и неправдами сократить продолжительность сна без существенного ухудшения самочувствия). Однако, в отличие от воды и пищи, мы так до сих пор и не знаем, зачем же сон нам так нужен.

Ночной сон в норме состоит из чередующихся фаз быстрого сна (так называемый парадоксальный сон или REM-фаза от англ. Rapid eye mowement – быстрое движение глаз) и медленного сна (NREM-фаза от non-REM). При многих неврологических и психических нарушениях баланс между двумя фазами сна нарушается, поэтому обе они играют важные физиологические роли.

Фазу сна можно легко определить с помощью энцефалограммы (ЭЭГ) или электромиограммы (ЭМГ), которые регистрируют электрическую активность головного мозга и мышц соответственно. Когда человек засыпает, он сначала погружается в фазу глубокого сна, который подразделяют на три-четыре стадии, отличающиеся наблюдаемыми рисунками электрической активности мозга. В самой последней стадии NREM-фазы сон наиболее глубок, и именно во время этой фазы человека труднее всего разбудить.

Фаза медленного сна сменяется быстрым сном. Энцефалограммы бодрствующего мозга и мозга в фазе быстрого сна очень похожи, однако, в отличие от бодрствования, при быстром сне наблюдается сильное расслабление мышц и частичная утрата гомеотермности (то есть постоянства температуры тела). Наиболее характерным признаком REM-фазы являются быстрые движения глаз, за что она и получила своё название. Сновидения мы видим также во время REM-фазы.

Конец REM-фазы наиболее благоприятен для пробуждения. Если пробуждения не произошло, после REM-фазы снова начинается фаза глубокого сна. Длина одного цикла, включающего фазу медленного сна и фазу быстрого сна, составляет примерно 1,5 часа. Поскольку оптимальная продолжительность ночного сна составляет 8 часов, за ночь происходит смена 4-5 циклов сна.

Сон у позвоночных и не только

У человека первые сообщения об открытии фазы быстрого сна появились в 1953 году. Спустя несколько лет, в 1959 году, похожее состояние удалось пронаблюдать у кошек. После этого началось активное изучение анатомических, фармакологических, физиологических и генетических аспектов сна. Удалось показать, что у млекопитающих важнейшую роль в REM- и NREM-фазах играют нейроны ствола мозга.

Кроме млекопитающих, сон из REM- и NREM-фаз имеет место у птиц. Определить наличие фаз сна у других животных – задача непростая, тем более что даже не всегда понятно, что у них считать сном.

Как правило, за сон принимают такое состояние, в котором:

  • Животное неподвижно;

  • Тело принимает определённую позу;

  • Повышается пороговое значение различных стимулов;

  • Состояние покоя легко обратимо;

  • Состояние наблюдается преимущественно в определённых местах (например, в норах, на кровати и т. п.);

  • Длительное отсутствие состояния оказывает негативное влияние на самочувствие.


Состояния, удовлетворяющие перечисленным критериям сна, были описаны у самых разных животных, в том числе и беспозвоночных: у рыбок данио-рерио, плодовой мушки дрозофилы и нематоды Caenorhabditis elegans. Стоит отметить, что спячка хотя и очень похожа на сон, не удовлетворяет всем перечисленным критериям, так как не представляет собой легко обратимое состояние.

«Но ведь приведенное определение искусственно, – возразит кто-то. – С таким подходом можно насочинять определений для чего угодно». Однако оказалось, что состояния, удовлетворяющие критериям сна, имеют принципиально схожие и довольно основательные молекулярные основы. Выяснилось также, что гены, связанные со сном, консервативны среди животных, даже у самых примитивных. К числу таких генов в настоящее время относят протеинкиназу SIK3, белки сигнального пути эпидермального фактора роста, протеинкиназу G, белки сигнальных путей циклического аденозинмонофосфата (цАМФ) и гистаминергического сигнального пути, а также рецепторы N-метил-D-аспартата.

Как мы уже отмечали, фазы быстрого и медленного сна в строгом смысле можно выделить только у млекопитающих и птиц. Млекопитающие и птицы произошли от разных групп рептилий, поэтому кажется логичным, что из всех позвоночных именно у рептилий сон должен иметь структуру, близкую к структуре сна у млекопитающих и птиц. Однако по многим особенностям физиологии и анатомии современные рептилии отличаются от птиц и млекопитающих.

Во-первых, рептилии пойкилотермны, то есть они не могут поддерживать постоянную температуру тела. Во-вторых, передний мозг рептилий устроен значительно проще, чем передний мозг птиц и млекопитающих, у которых он имеет очень достаточно сложную организацию – неокортекс у млекопитающих и неостриатум у птиц. Многие учёные склоняются к тому, что появление сна с чередованием медленной и быстрой фаз непосредственно связано с переходом к гомеотермии (постоянной температуре тела) и развитием переднего мозга, что независимо произошло у птиц и млекопитающих.

Сон самых примитивных млекопитающих – яйцекладущих – сильно отличается от сна других млекопитающих. Первые исследования сна у одного из двух современных яйцекладущих, ехидны, показали, что у неё есть типичная для млекопитающих NREM-фаза, а вот признаков REM-фазы нет совсем. Позднее другая группа учёных показала, что регистрация электрической активности в области ствола мозга даёт паттерн, соответствующий REM-фазе, а паттерн активности, снятый в то же время в коре мозга, соответствует NREM-фазе. Возможно, у яйцекладущих есть какая-то примитивная форма сна, которая сочетает признаки и REM-, и NREM-фаз. Есть сообщения, что REM-фаза сна у ехидны выявляется только по определённой температуре, однако эти результаты сомнительны, так как REM-фаза, вероятно, была спутана со спокойным бодрствованием.

Последние данные говорят о том, что нечто подобное делению сна на REM- и NREM-фазы есть и у рептилий. В 2016 году показали, что у ящерицы Pogona vitticeps (родственница агам) во сне можно выделить две фазы, похожие по энцефалографическим характеристикам на REM- и NREM-фазы. Одна из фаз сна у этой ящерицы даже сопровождается быстрыми движениями глаз. В течение ночи, когда ящерица спит, её сон представляет собой чередование двух фаз. Однако продолжительность каждой фазы зависит от температуры окружающей среды. Кроме того, за сон у рептилий отвечают совершенно другие анатомические структуры мозга, чем у млекопитающих, поэтому связь сна рептилий и млекопитающих довольно непонятна. Поскольку ящерицы относятся к группе рептилий, которая наиболее далека от птиц (лепидозавры), сон из REM- и NREM-фаз мог появиться на ранних этапах эволюции амниот или даже раньше.

Что было раньше – REM или NREM?


На что же больше похожа предковая примитивная форма сна — на REM-фазу или на NREM-фазу? Как это ни странно, большинство учёных склоняются к тому, что REM-фаза древнее NREM-фазы.

Действительно, во время REM-фазы и у млекопитающих, и у птиц ослабляется терморегуляция, так что они частично утрачивают гомеотермность, что сближает их с пойкилотермными низшими позвоночными. Кроме того, за REM-фазу сна отвечает ствол мозга – очень древняя структура, устроенная примерно одинаково у всех позвоночных.

Более того, детёныши многих млекопитающих практически всё время спят, причём, их сон состоит исключительно из REM-фазы, вероятно, из-за того, что анатомические структуры мозга, отвечающие за быстрый сон, завершают своё развитие раньше тех, что отвечают за медленный сон. Таким образом, REM-фаза кажется более древней, чем NREM-фаза.

Впрочем, и тут есть что возразить. Последние данные говорят о том, что ствол мозга задействован и в медленном сне, а сон детёнышей, по мнению некоторых исследователей, совершенно отличен от сна взрослых, и делить на NREM- и REM-фазы его некорректно.

Когда спит только часть мозга


Млекопитающие, которые всю жизнь проводят в воде, например, дельфины и киты, не могут себе позволить длительный сон, как другие млекопитающие – в противном случае они просто-напросто утонули бы. Дельфины нашли очень изящное решение проблемы: разные полушария мозга у них спят в разное время! В то время как одно полушарие находится в фазе быстрого сна, второе сохраняет базовый уровень активности, благодаря которому животное продолжает плавать.

У дельфинов, кроме того, практически нет быстрого сна, а возможно, его нет в принципе. Как мы помним, во время REM-фазы мышцы расслабляются, а для дельфинов расслабление мышц неминуемо привело бы к гибели.

Однополушарный сон наблюдается также у морских котиков, несмотря на то что они живут и в воде, и на суше. На суше у них спят оба полушария, а в воде имеет место однополушарный сон. Как морские котики переключаются между двумя программами сна, ещё неясно.

Однополушарный сон отмечен у многих птиц, у которых он, вероятно, играет роль в защите от хищников. Возможно, перелётные птицы также используют однополушарный сон во время длительных миграций.

Сон у беспозвоночных и молекулярные механизмы сна

В наш век бурного развития молекулярной биологии исследование генов стало неотъемлемой частью практически всех биологических наук. Как вы уже, наверное, поняли, традиционные методы изучения сна, такие как регистрация электрической активности с помощью энцефалограммы, не позволяют дать однозначного ответа на многие вопросы касательно различных аспектов биологии сна. А что на этот счёт говорят гены?

Некоторые их них мы уже перечислили, но какие гены отвечают за REM-фазу, а какие – за NREM-фазу? В 2016 году исследователи показали, что у мышей повышенная активность гена протеинкиназы SIK3 приводит к увеличению количества медленного (но не быстрого!) сна. Гомологи SIK3 есть у дрозофилы и нематоды, и у них этот белок тоже способствует сну.

У рыбки данио-рерио ключевую роль в регуляции сна и бодрствования играет гистамин. И у данио-рерио, и у млекопитающих он способствует бодрствованию, а рыбы с нарушенным синтезом гистамина очень много времени проводят во сне.

У млекопитающих важнейшим веществом, стимулирующим бодрствование, становится нейропептид орексин (также известен как гипокретин). У людей утрата нейронов, выделяющих орексин, приводит к нарколепсии – расстройству сна, которое характеризуется повышенной дневной сонливостью, катаплексией (кратковременным параличом мышц при бодрствовании) и похожими на сны галлюцинациями, связанными с тем, что при засыпании бодрствование сменяется не NREM-фазой, а REM-фазой.

Нейроны, секретирующие орексин, активны в основном при бодрствовании и неактивны во время сна. Любопытно, что у данио-рерио, лишённых способности к синтезу орексина, никаких нарушений при бодрствовании нет, а ночной сон становится коротким и прерывистым. Ещё более удивительно, что введение орексина вызывает у рыб не бодрствование, а сон! Таким образом, орексин, хотя и играет у всех позвоночных важную роль в регуляции сна, функционирует у разных групп по-разному.

До этого момента мы обсуждали только позвоночных животных. А как обстоит дело с беспозвоночными? Сон и похожие на него состояния известны у многих беспозвоночных. Например, нечто похожее на сон наблюдается у личинок тутового шелкопряда перед линькой, когда они перестают питаться и становятся неподвижны. Есть он и у модельных беспозвоночных организмов – дрозофилы и нематоды.

У дрозофилы двигательная активность жёстко подчиняется циркадным ритмам, и ночью мухи находятся в состоянии покоя. Является ли оно сном? Если мухам искусственно не давать спать ночью, они становятся очень вялыми днём. Пороговые значения разных раздражителей во время покоя также повышены. Любопытно, что старые мухи спят меньше молодых, как и старые люди обычно проводят во сне менее длительное время, чем молодые. Кроме того, кофеин оказывает на мух выраженное бодрящее действие. Таким образом, ночное состояние покоя у мух удовлетворяет основным критериям сна, и, следовательно, их можно использовать в качестве модельных организмов для изучения сна.

Нейромедиатор дофамин у млекопитающих стимулирует бодрствование. У мух с нарушенным метаболизмом дофамина также наблюдается повышенная активность и сокращённое время покоя. Бодрящим действием на млекопитающих также обладает другой нейромедиатор ¾ норадреналин. У мух, как и у всех беспозвоночных, норадреналина нет, но есть родственный катехоламин октопамин, который, как и норадреналин, задействован в некоторых поведенческих реакциях, таких как «бей или беги». Активация или инактивация синтеза октопамина у мух также повышает или понижает длительность бодрствования соответственно.

Действие гистамина на мушек тоже похоже на влияние этой молекулы на млекопитающих: лишённые гистамина мухи демонстрируют повышенную сонливость. Однако молекулярные механизмы этой реакции у млекопитающих и мух различаются. ГАМК стимулирует сон у млекопитающих, а именно, NREM-фазу. На мух ГАМК также действует усыпляюще. Активность протеинкиназы SIK3 у мухи тоже способствует сну. И у мышей, и у дрозофилы отключение гена, кодирующего рецептор глутамата NMDA, сокращает продолжительность ночного сна.

Казалось бы, муха – идеальный объект для изучения сна, потому что её сон регулируется почти так же, как и сон у млекопитающих. Увы, не всё так просто. Дело в том, что нейропептиды очень низкоконсервативны среди животных, и генов-родственников орексина, который играет важнейшую роль в регуляции сна у млекопитающих, у беспозвоночных (в том числе и дрозофилы) нет.

Ещё одно популярное в молекулярно-биологических исследованиях беспозвоночное ¾ нематода C. elegans. Как и личинки тутового шелкопряда, молодые черви линяют четыре раза перед достижением зрелости, и перед каждой линькой червь впадает в особое состояние покоя, известное как летаргус. Хотя летаргус происходит не ежедневно, длительное отсутствие летаргуса обладает сильным негативным эффектом на организм червя, а червь в состоянии летаргуса неподвижен, не питается и хуже реагирует на раздражители. Таким образом, летаргус нематод удовлетворяет основным критериям сна.

Несмотря на это, летаргус имеет серьёзное отличие от сна других животных: он происходит не ежедневно и никак не связан с 24-часовым суточным ритмом. Однако молекулярные механизмы летаргуса и сна у мух очень похожи. Из 26 генов мушек, связанных со сном, у червя есть 20, и все они влияют на длительность летаргуса и порог раздражимости. 18 из них влияют на сон так же, как и у мух. Гомолог SIK3 у нематод способствует наступлению летаргуса. Таким образом, молекулярные механизмы сна принципиально похожи даже у очень далёких видов.

В 2017 году появилось сообщение об обнаружении состояния, похожего на сон, у представителя одной из самых примитивных групп животных – стрекающих. Медуза Cassiopea редко плавает и в основном сидит на субстрате, периодически сокращая и расслабляя зонтик. Эти пульсации учёные и использовали в качестве показателя уровня активности животного.

Оказалось, что медуза гораздо активнее пульсирует днём, чем ночью, причём, вероятно, этот механизм регулируется на уровне циркадных ритмов. Как и настоящий сон, ночное состояние покоя медузы легко обратимо. Более того, кассиопея тоже подвержена недосыпу! Если не дать ей спать ночью, то на следующий день она будет вялой и станет слабо реагировать на внешние стимулы. Интересно, что некоторые вещества, вызывающие сон у позвоночных, например, мелатонин, вводят медузу в состояние покоя.

Так зачем же нужен сон?


Как мы можем судить по косвенным свидетельствам, сон – нечто совершенно необходимое для жизнедеятельности животного. Мало того что молекулярные механизмы сна схожи даже у самых далёких организмов, нехватка сна обладает выраженным отрицательным воздействием на организм животного и может даже привести к смерти. Однако, что именно приводит к смерти от недостатка сна, неизвестно.

У млекопитающих функции NREM-фазы начинают понемногу проясняться. Во время этой фазы происходит секреция гормона роста, перестройка синапсов и дендритных шипиков, консолидация памяти, вывод из мозга продуктов обмена. У мух во время сна также переходят перестройки в разных отделах мозга, в частности, в грибовидных телах, которые играют важную роль в обучении и памяти.

Функции REM-фазы совершенно неизвестны. Предпринимались попытки изучить её свойства путём прерывания сна во время REM-фазы (не только у животных, но и у человека). Однако при таком воздействии сокращается не только длительность REM-фазы, но и сна вообще, поэтому делать какие-либо заключения относительно REM-фазы на основании этих экспериментов нельзя. Показано, однако, что REM-фаза оказывает значительное влияние на NREM-фазу и может, таким образом, опосредованно влиять на консолидацию памяти и обучение.

При длительном отсутствии сна крысы утрачивают способность регулировать температуру тела, на коже появляются повреждения, ускоряется метаболизм и уменьшается вес, несмотря на повышенный аппетит. Как именно недостаток сна связан с перечисленными эффектами, неизвестно. Учёные вывели линию мух, особенно остро реагирующих на недосып. Как оказалось, у этих мух имеется мутация в одном из генов, кодирующих шаперон ¾ белок, занимающийся правильной укладкой других белков. Поэтому, возможно, сон необходим ещё и для восстановления правильной структуры каких-то белков.

Подводя итог, можно сказать, что, несмотря на актуальность и давность задачи, наши сведения о биологии сна всё ещё очень скудны. Однако очевидно, что получить ответы на многие вопросы может помочь молекулярная биология, а также активное использование животных моделей. Таким образом, сон человека нельзя рассматривать вне его эволюционного контекста. Нам же остаётся лишь ждать новых открытий в этой интереснейшей области нейронауки и хотя бы попытаться спать не менее восьми часов в сутки.

Текст: Елизавета Минина





Ссылка на источник

Tags: исследования, мозг, нейробиология, нейроновости, сон
Subscribe

Posts from This Journal “сон” Tag

Buy for 30 tokens
Меня тут недавно спрашивали, как я могу учить продавать, если никогда не работал менеджером по продажам. Во первых работал целых полгода, во вторых - подумал: возможно, людям, которые никогда не занимались бизнесом, не вполне понятны очевидные вещи. Например, тот факт, что сегодня абсолютно любой…
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 1 comment