Центры сна и бодрствования

Центральное место в комплексе структур, связанных со сном и бодрствованием, занимает ретикулярная формация. Это ядра, которые находятся в самой срединной (медиальной) зоне продолговатого мозга и моста, и главным центром бодрствования являются ретикулярные ядра моста. Здесь расположены нервные клетки, воспринимающие самые разные информационные потоки, а дальше их аксоны очень широко расходятся по ЦНС и задают тонус. В свое время, когда их описывали, открывали в середине XX века, их назвали сначала неспецифическими, потому что были удивлены, что это за такие клетки, реагирующие буквально на все: на зрительные сигналы, на слуховые сигналы, на эмоции, мышление, движения… Потом оказалось, что они вполне себе специфические, просто функция у них такая: они как бы являются интегратором всех информационных потоков, оценивают общий уровень прежде всего сенсорных воздействий на организм и дальше задают тонус.

Благодаря такой организации данного центра мы, например, просыпаемся от любого сенсорного сигнала, и вообще наша активность зависит от этого сенсорного входа. Мы просыпаемся — неважно, зазвонил будильник, потрясли вас за плечо или яркий свет — пошла активация, ретикулярные ядра моста заработали, и тонус поднимается. Соответственно, если вы хотите проснуться с утра, то, стало быть, свет поярче, музыку погромче, еще можно съесть что-нибудь бодрящее (например, ложку горчицы хватануть), и тогда все это заработает в более яркой форме. А вечером, наоборот, когда вы хотите благополучно отойти ко сну, полезно постепенно понижать сенсорный поток в вашем доме: тушить свет, не сидеть перед ярким экраном монитора и так далее — это общеизвестные факты. Итак, это главный центр бодрствования.

Его постоянным оппонентом и конкурентом является главный центр сна, расположенный в среднем мозге, — это так называемое центральное серое вещество среднего мозга. В среднем мозге проходит такой узкий канал, соединяющий третий и четвертый желудочки (он называется мозговой водопровод), и вокруг него продолжение ретикулярной формации продолговатого мозга и моста, которое названо ЦСВ — центральное серое вещество среднего мозга. Там находятся нейроны, занимающиеся очень разными функциями, например контролем воли, эмоциональным контролем, и в том числе есть клетки, генерирующие сонное состояние. Но при этом центральное серое вещество является зоной высокого порядка, и для того, чтобы это сонное состояние распространилось по мозгу, центральное серое вещество использует ядра шва.

Ядра шва — это скопление серотониновых нейронов, которые идут вдоль всех стволовых структур нашего головного мозга. Получается, что сначала срабатывает центральное серое вещество, потом ядра шва, в мозге становится больше серотонина — в самых разных структурах, например в таламусе, в коре больших полушарий, где основные сенсорные потоки, — и постепенно развивается сонное состояние. То есть для сна очень важно убрать лишние информационные потоки. При этом серотонин зачастую работает как основной запускающий фактор, но дальше эстафету подхватывают ГАМК-нейроны, то есть нейроны, вырабатывающие в качестве медиатора гамма-аминомасляную кислоту, и они уже могут активно блокировать, скажем, зрительные сигналы, слуховые сигналы. Здесь огромную роль играют ядра таламуса, то есть в центральной части таламуса есть нейроны, которые вполне так специально блокируют сенсорные потоки при нашем засыпании. И в том числе главный центр сна конкурирует с главными центрами бодрствования, и, стало быть, ядра шва довольно активно подтормаживают ретикулярные ядра моста. А главные центры бодрствования должны как-то нанести ответный удар. При этом сами они в качестве медиатора используют глутаминовую кислоту, то есть возбуждающий медиатор, поэтому нужно какое-то тормозное переключение, и тут на помощь ретикулярным ядрам моста приходит так называемое голубое пятно.

Это тоже очень известная структура. Она находится в передней верхней части моста, и нейроны голубого пятна в качестве медиатора используют норадреналин. Голубое пятно действительно имеет слегка голубоватую окраску. Там несколько миллионов нервных клеток, что для мозга совсем немного. Их аксоны опять-таки очень широко расходятся по всей ЦНС, и в каких-то зонах ЦНС норадреналин оказывает возбуждающее действие, а в каких-то — тормозное. И в том числе норадреналин подтормаживает центральное серое вещество среднего мозга. То есть дополнительная активация голубого пятна приводит к тому, что баланс смещается в сторону бодрствования. А голубое пятно, в свою очередь, прежде всего связано с эмоциями, потенциальной опасностью, стрессом, поэтому когда мы нервничаем или чего-то ждем, то, соответственно, нам не спится, засыпание ухудшается. Скажем, у вас завтра ответственный экзамен, свидание или вы на самолете летите, а вы боитесь летать на самолете, и в этой ситуации голубое пятно будет вас бодрить, и порой это совершенно ни к чему.

Дальше на комплексы этих структур огромное влияние оказывают так называемые супрахиазменные ядра переднего гипоталамуса. Это наша древняя зрительная структура, которая в ходе эволюции появляется очень рано. В принципе, что-то вроде этого существует уже у ланцетника, то есть у нашего рыбкообразного предка. На самом деле ланцетник не рыбка, а вообще бесчерепное, и у него из всей нервной системы только нервная трубка, глаз тоже нет, но есть уже отдельные светочувствительные клетки по поверхности этой нервной трубки. Ланцетник полупрозрачный, и эти светочувствительные клетки могут реагировать на общий уровень освещенности. Ланцетнику это важно для того, чтобы, если его выкопали из песка, он бы это почувствовал — стало светло — и закопался обратно в песок. Этот механизм дальше используется для оценки общего уровня освещенности у более продвинутых позвоночных, в том числе у нас, и поэтому в супрахиазменных ядрах мы обнаруживаем нервные клетки, являющиеся нашими биологическими часами, тем центром, который отслеживает суточные ритмы освещенности.

Внутри супрахиазменных ядер мы обнаруживаем нервные клетки, активные днем, и нервные клетки, которые активны ночью. Те, что активны днем, посылают свои сигналы в главные центры бодрствования, а те, что активны ночью, — на центры сна и в итоге подсказывают: «Наступает ночь, пора засыпать» или «Уже день, пора просыпаться». Эта система действует достаточно мягко и ненавязчиво, но если мы резко меняем часовой пояс, скажем, на 6–8 часов — сел в самолет и перелетел куда-нибудь в Петропавловск-Камчатский, — то там это, конечно, заметно. Биологические часы действительно есть, и некоторое время вам тяжело живется в другой части земного шара, и нужна неделя, а то и две, чтобы биологические часы перевели стрелки. А так они очень аккуратно работают. Вообще вся эта система аккуратно работает, потому что засыпание по само́й биологической логике не должно быть быстрым процессом: вы должны понимать, где вы уснули, вы должны уснуть в безопасном месте. Обезьяну, которая внезапно уснула в неподходящем месте пространства, к утру просто съедят. Поэтому засыпание — процесс такой неспешный, довольно осмысленный, а вот просыпаться порой нам нужно действительно очень бодро, чтобы тут же какие-то реакции предпринимать. Итак, супрахиазменные ядра — это центры, ведущие биологические ритмы.

Еще можно назвать так называемый вспомогательный центр сна, который расположен в продолговатом мозге. Это тоже нейроны, относящиеся к ретикулярной формации, и эти нервные клетки в основном настроены на внутреннюю среду нашего организма. Например, вы долго что-то делали и в крови появилось много отходов обмена веществ; вы поели и в крови появилось много глюкозы; вы заболели и в крови появились какие-то токсины, связанные с бактериями, — все эти факторы активируют ретикулярные ядра продолговатого мозга, а от них сигнал уходит на центральное серое вещество, и у нас развивается более сонное состояние, то есть идет сдвиг этого баланса. Получается, что с точки зрения ретикулярных ядер продолговатого мозга, если мы поели и в крови стала подниматься концентрация глюкозы, можно ложиться спать или отдыхать, то есть цель жизни вполне достигнута. Или после физической нагрузки надо отдыхать, или, например, если у вас какое-то инфекционное заболевание, то нечего бегать-прыгать, надо ложиться спать или по крайней мере не очень активно двигаться, для того чтобы иммунная система могла сосредоточиться на борьбе с возбудителем.

В целом получается достаточно гибкая и не очень сложная система: по сравнению с двигательными центрами мозга или с центрами памяти система «сон ― бодрствование» устроена гораздо проще. Но, даже глядя на эту систему, мы видим, что она много чего умеет: она может оценивать уровень сенсорной нагрузки, идущей из внешней среды, может откликаться на состояние внутренней среды организма, может реагировать на суточные ритмы, реагировать на стресс. В итоге получается система, которая включена в большой комплекс общих адаптивных реакций нашего организма, связанных с внешней средой.

На самом деле, конечно, ситуация гораздо сложнее и интереснее, потому что внутри того же сна существуют отдельные фазы, и с помощью, например, электроэнцефалограммы в свое время эти фазы были выделены. Примерно 50% времени сна, если мы смотрим на электроэнцефалограмму, мы видим не очень глубокий сон, а вот остальные 50% примерно поровну распределены между так называемым медленноволновым сном и парадоксальным сном. Парадоксальный сон — это такая отдельная сущность и отдельное состояние нашего мозга, потому что сон ― это прежде всего, конечно, физиологический отдых. Нервные клетки восстанавливают запасы энергии, свои липидные мембраны, белковый обмен, и все это очень понятно и нужно. Но парадоксальный сон — это очень активное состояние мозга. Собственно, само название «парадоксальный» связано с тем, что в этот момент на электроэнцефалограмме пишется такая активность, как будто мозг чем-то очень серьезно занимается, очень многие нервные клетки вовлечены в эти процессы, а разбудить человека в этот момент сложнее. То есть порог пробуждения выше, а мозг как будто бодрствует — вот он, парадокс. Сейчас, по современным представлениям, парадоксальный сон — это действительно отдельная фаза, во время которой мозг как бы разгребает залежи информации, накопленной за текущий день или за последний месяц, а иногда и за всю жизнь, и как бы перелопачивает эту информацию, ― видимо, устанавливает какие-то более короткие оптимальные нервные связи, что-то стирает. Кроме того, именно на этой фазе, судя по всему, происходит перезапись кратковременной памяти в долговременную, то есть информация, которая была в гиппокампе, в этот момент особенно эффективно отражается на нейронных цепочках новой коры, и происходят всякие долговременные модификации синапсов. Структурой, связанной с запуском парадоксального сна, является все то же голубое пятно, а электроэнцефалограмма позволяет нам увидеть, что эта фаза действительно наступила. Кроме того, на фазе парадоксального сна идет быстрое движение глаз, и это тоже позволяет идентифицировать данное состояние.

Самое главное назначение сна — это физиологический отдых, и на электроэнцефалограмме в этот момент идут так называемые дельта-волны, то есть в итоге запись ЭЭГ оказывается очень хорошим источником информации о структуре сна, и это одно из больших достоинств электроэнцефалограммы, потому что в свое время, когда открыли электроэнцефалограмму, ―, а это случилось еще в 30-е годы XX века ― была такая эйфория: сейчас, глядя на эти волны, мы увидим, о чем мозг думает, вот мозги просто буквально шевелятся. Сейчас мы знаем, что эти волны — это результат суммирования электрической активности миллионов нервных клеток и вытащить информацию из электроэнцефалограммы крайне сложно. По крайней мере в случае изучения сна электроэнцефалограмма оказывается очень полезным и информативным методом.