Книга: Разум побеждает: Рассказывают ученые

Н. Н. Демин, доктор биологических наук, профессор Химизм сна

^{Н. Н. Демин, доктор биологических наук, профессор}

Химизм сна

Прошло уже более 20 лет со времени открытий, заставивших пересмотреть все прежние представления о нашем сне. Было установлено, что сон — это не торможение, а весьма активный процесс, связанный с возбуждением определенных структур мозга. В особенности «быстрый», или, как часто его называют, парадоксальный, сон с быстрыми движениями глаз и электрической активностью мозга, не отличающейся от активности в бодрствовании. После того как эти открытия были сделаны, началось бурное изучение развития механизмов сна. Сейчас исследование этой проблемы разделилось на два основных направления: изучение биохимических механизмов развития сна и выявление тех изменений в нервной системе, которые вынуждают нас спать. В первом направлении уже сделано много глубоких и очень интересных работ. Прежде всего — это результаты блестящих исследований французского ученого Мишеля Жувэ.

Смена различных фаз сна (а также переход от бодрствования ко сну) сопровождается сменой активности нервных клеток — нейронов — в стволе мозга. Передача нервных импульсов осуществляется через синапсы — места соединений между клетками и их отростками — с помощью химических передатчиков — медиаторов. В зависимости от того, какой медиатор выделяется в синаптическую щель, называют данные структуры холинергическими (медиатор — ацетилхолин), серотонинергическими (медиатор — серотонин) и т. д.

Тела нейронов, в которых есть серотонин, находятся в ядрах шва каудального («кауда» — хвост по-латыни) отдела мозгового ствола, и от них идут восходящие (к переднему отделу, коре) и нисходящие (в спинной мозг) длинные отростки нервных клеток — аксоны.

Если бодрствование поддерживается норадреналин- и дофаминергическими нейронами, то переход от бодрствования в фазу медленного сна[31] (с этой фазы всегда начинается сон) — серотонинергическими. Переход от медленного к быстрому сну еще до конца не расшифрован, однако и тут уже есть довольно обоснованная гипотеза. По образному сравнению М. Жувэ, как у хорошего кассира сейф открывается тремя ключами, так быстрый сон, очевидно, зависит от возбуждения трех структур, содержащих ацетилхолин, серотонин и норадреналин. Таким образом, картина нашего сна постепенно начинает проясняться. Становятся понятны механизмы возникновения трех состояний, в которых мы живем: бодрствования, медленного и быстрого сна.

Быстрые движения глаз в быстром (парадоксальном) сне, вероятно, связаны с возбуждением холинергических нейронов. Эта же система, возможно, вызывает и падение тонуса всех скелетных мышц при быстром сне единственном естественном периоде полного расслабления в нашей жизни.

Однако, если сон — активное рабочее состояние, неясно, для чего он нужен. Неясно также, почему эта удивительная работа приносит ощущение обновления и отдыха.

Еще в начале нашего столетия было предложено несколько теорий, объясняющих необходимость сна. Французские ученые Лежандр и Пьерон опубликовали работу, где говорилось о том, что при сне после длительной бессонницы в сыворотке крови, тканях мозга и спинномозговой жидкости собак накапливаются вещества, способные вызывать сон у бодрствующих животных.

Много лет спустя, уже в наше время, американский биохимик Паппенхаймер и швейцарский Моннье сумели доказать, что в мозгу у спящих животных накапливается вещество, способное вызывать медленный сон у бодрствующих. Моннье выделил это вещество в чистом виде из крови кроликов. Паппенхаймер обнаружил в спинномозговой жидкости коз, спавших после длительного лишения сна, фактор-S, вызывающий сон. Вещество, выделенное Моннье, оказалось пептидом, производным девяти аминокислот. Пептид (Моннье назвал его дельта-фактором) удалось синтезировать искусственно. Так было получено естественное снотворное, одинаковое для всех спящих млекопитающих, независимо от того, к какому виду они принадлежат, в том числе и для человека.

Дельта-фактор появляется при сне. Но почему появляется сон? Вызывает ли его это вещество, или появление дельта-фактора — следствие наступления сна? Какие биохимические изменения происходят во сне в клетках мозга? И если происходят, то во время каких фаз: в быстром или в медленном сне (или и в том и в другом)? Для того чтобы получить ответы на эти вопросы, необходимо было продолжать исследования.

Объектом исследований в нашей лаборатории были крысы. Сон у крыс короткий, от 15 до 30 минут, но в общей сложности они спят довольно много. После максимального по продолжительности сна мозг крысы исследовался биохимически.

В стволе мозга наряду с другими есть два скопления нейронов, два ядра — супраоптическое и красное. Исследовали нейроны и глиальные клетки этих ядер. При стрессовых состояниях из супраоптического ядра выделяются белки гормоны, поступающие в общий кровоток организма. Эти вещества оказывают влияние на активность гипофиза и всей эндокринной системы. Красное ядро тоже обладает высокой интенсивностью белкового обмена, но несет другие функции. Оно не имеет отношения ни к стрессовым состояниям, ни ко сну, а связано со спинным мозгом, мозжечком и корой головного мозга.

Было установлено, что у крыс в естественном сне идет накопление гистоноподобных белков и рибонуклеиновых кислот в клетках глии супраоптического ядра, причем за 10–20 минут сна их накапливается на 20 30 процентов больше по сравнению с бодрствованием. В нейронах этого ядра при сне накапливаются рибонуклеиновые кислоты. В то же время в нейронах красного ядра содержание белков несколько снижается.

При лишении крыс быстрого сна результаты получились неожиданные и очень интересные. В то время, когда наступает фаза быстрого сна, падает тонус скелетных мышц. Расслабление начинается с мышц шеи и затем охватывает все мышцы тела. Если крысу посадить на небольшую (5?5 см) площадку, выступающую над водой на 3–4 сантиметра, то животное окунет мордочку в воду или даже свалится в нее, как только перейдет в фазу быстрого сна. Очутившись на площадке снова, крыса через некоторое время опять уснет. Сон всегда начинается с медленного сна. Через некоторое время наступит быстрый сон, и все повторится сначала.

Лишение крыс быстрого сна привело к резкому падению уровня белков и в нейронах, и в глиальных клетках мозга. В нейронах оно вызывало количественно даже более резкие изменения, чем лишение обеих фаз сна. Если эксперимент с лишением быстрого сна продолжался более суток, содержание белка в клетках мозга несколько повышалось, затем стабилизировалось, но не достигало исходного уровня. Он восстанавливался лишь тогда, когда животному давали спать в быстром сне.

Аналогичные результаты были получены, когда исследовались другие отделы мозга.

Теменная область коры больших полушарий суммирует сигналы, поступающие в мозг, и образует часть регуляторной системы, определяющей целостное поведение животного. Деятельность этих областей коры отображает общий уровень активности всего головного мозга. В Институте нейрокибернетики Ростовского университета для исследования белкового обмена был использован электрофизиологоцитохимичеокий метод. По записи электрической активности мозга можно было точно установить, в какой фазе сна находится животное, и с помощью специального устройства, вживленного в мозг, быстро взять на анализ кусочек ткани. (Животное при этом не ощущало боли и не просыпалось.) Метод обеспечивал быструю фиксацию ткани, ее хорошую сохранность и проводился в условиях свободного поведения животного. Анализ подтвердил результаты предшествовавших опытов — при Лишении быстрого сна резко снижалось содержание белка в клетках мозга.

Значение белков в клетках мозга многообразно и определяется уникальными свойствами каждой из 20 аминокислот, входящих в состав белковой молекулы. Широкие функциональные возможности белковых молекул зависят от способности к изменению их конфигурации в ответ на воздействие. Эти изменения обратимы, то есть после того, как воздействия закончатся, молекула белка возвращается в первоначальное состояние. Белки и вся синтезирующая их система играют первостепенную роль в процессах возбуждения, торможения, запоминания и других сторонах многообразной функции нервной системы. Между функциональной сложностью отделов нервной системы и содержанием в них белков имеется определенная зависимость: выше содержание белков в больших полушариях головного мозга, меньше в его подкорковых областях и еще меньше — в спинном мозге. При лишении фаз быстрого сна больше страдали нейроны мозга. Для глиальных клеток оказался более необходимым медленный сон.

Получены и другие интересные результаты изучения биохимии медленного сна. Так, только при медленном сне у людей происходит значительное поступление из гипоталамуса в кровь гормона роста. Эта закономерность не изменяется ни при каких нарушениях смены циклов сна в течение суток. Выход гормона роста в общий кровоток организма говорит об усилении биосинтеза белков в периферических тканях организма. Таким образом, фаза медленного сна нужна для восстановления органов тела, а быстрый сон — для восстановления работоспособности мозга.

Чем выше организовано животное, чем лучше развита его нервная система, тем больше оно нуждается в быстром сне. Рыбы вообще не спят. У них — две формы отдыха: обездвижен-ность с потерей или сохранением мышечного тонуса. У амфибий также нет сна. Его заменяет обездвиженность с сохранением тонуса мышц. У рептилий (пресмыкающихся) можно наблюдать нечто похожее на медленный сон, у крокодилов — наиболее высокоразвитых среди них намечается что-то вроде небольших периодов фаз быстрого сна. У птиц уже хорошо выражен и медленный и быстрый сон (последний, правда, занимает лишь один процент сна) и наблюдается еще одно состояние во сне, которое есть у более примитивных животных — каталепсия (оцепенение). Если у крыс в быстром сне идет накопление белков и рибонуклеиновых кислот в нейронах и глии супра-оптического ядра, то у кур при каталепсии этого нет, содержание белка в клетках мозга у них даже падает. Обездвиженность животных — это отдых пассивный в биохимическом отношении. А быстрый сон — это активный процесс обмена веществ в клетках мозга.

В свое время известный советский биохимик А. В. Палладии указывал, что состояние сна не подразумевает бездеятельности головного мозга и что его активность при этом может и не ослабляться, а направляться на восстановление его функциональной работоспособности. При сне включается механизм повышения обмена глюкозы и других богатых энергией веществ. Причем уровень их использования не менее высокий, чем в бодрствовании.

При длительном полном лишении сна снижается активность окислительных процессов и падает синтез АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты), необходимый для обеспечения энергией всех реакций, проходящих в клетках. При лишении быстрого сна содержание свободного гликогена снижается. Более чем на 50 процентов повышается содержание аммиака. Возможно, аммиак является одним из факторов, вызывающих утомление мозга. Нарушения сна могут приводить к заметным сдвигам обмена аминокислот — к торможению биосинтеза белков. При приеме снотворных (так называемых барбитуратов) естественный ритм сна нарушается. Эти снотворные снимают фазы быстрого сна со всеми вытекающими отсюда последствиями, всей суммой нарушений биохимических реакций в клетках мозга.

Попробуем подвести итог сказанному выше. Возможно, в нейрохимическом отношении сон нужен прежде всего для своеобразного ремонта именно белковых структур в клетках нервной ткани, для перестройки тех белковых молекул, которые повреждаются при функциональной активности в течение длительного бодрствования. Это прежде всего нерастворимые структурные белки синаптических мембран нейронов. Структурные белки изменяются, и затрудняется проводимость через синапсы, возникает утомление. При сне они восстанавливаются, и утомление исчезает. Это ответ на вопрос (правда, пока еще неполный и неокончательный): для чего нужен сон?