ЖУРНАЛ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ, 2013, том 63, № 1, с. 48-60
^ ОБЗОРЫ,
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СТАТЬИ
УДК 612.821.6
МОЗГ И СОН: ОТ НЕЙРОНОВ - К МОЛЕКУЛАМ
© 2013 г. В. М. Ковальзон
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова Российской академии наук, Москва, e-mail: kovalzon@sevin.ru Поступила в редакцию 04.04.2012 г.
Принята в печать 19.10.2012 г.
Рассматриваются некоторые дискуссионные вопросы современной сомнологии — раздела ней-ронаук, охватывающего регуляцию цикла бодрствование — сон, циркадианные и диурнальные биоритмы и другие смежные проблемы. Насколько чередование периодов активности и покоя у простых моделей — плоского червя, плодовой мушки и рыбки-зебры — сходны с чередованием бодрствования и сна у теплокровных организмов — птиц и млекопитающих? Какая связь между молекулярно-биологическими и электрофизиологическими явлениями в цикле бодрствование — сон? Какова роль быстрого сна в раннем онтогенезе? Каковы биохимические особенности медленного и быстрого сна? Эти и другие проблемы затрагиваются в данном обзоре.
Ключевые слова: цикл бодрствование — сон, филогенез, онтогенез, нейрофизиология, биохимия, молекулярная биология.
Brain and Sleep: From Neurons — to the Molecules
V. M. Kovalzon
Severtsov Institute of Ecology and Evolution, Russian Academy of Sciences, Moscow,
e-mail: kovalzon@sevin.ru
Disputable questions of modern somnology, the neuroscience branch involving wakefulness-sleep cycle regulation, circadian and diurnal rhythms and other related problems, are regarded. Among them are the questions of the extent of similarity of the alternation of active-rest periods in the nematode, fruit fly, zebrafish and other simple model organisms to the waking-sleeping rhythm in warm-blooded animals (birds and mammals); the relation between molecular-biological and electrophysiological events in sleep-wake cycle; the role of paradoxical (REM) sleep in early ontogenesis; biochemical features of slow wave and paradoxical sleep.
Keywords: wakefulness-sleep cycle, phylogeny, ontogeny, neurophysiology, biochemistry, molecular biology. DOI: 10.7868/S0044467713010073
Сомнология (наука о сне) — одна из наиболее бурно развивающихся областей нейро-наук XXI века, имеющая исключительно важные фундаментальные и прикладные аспекты. Девизом сомнологии можно считать слова крупнейшего сомнолога второй половины ХХ века Мишеля Жуве (Франция): "Кто познает тайну сна — познает тайну мозга". Смысл этого высказывания Жуве состоит в том, что механизмы, поддерживающие организм в состоянии бодрствования и соответственно "зеркальные" им механизмы сна, являются
"первичными" по отношению ко всем прочим системам, обеспечивающим "высшие" функции мозга. Действительно, эти функции — сенсорные и моторные, эмоции и мотивации, обучение и память, наконец, поведение, сознание и когнитивная деятельность человека — возможны только в том случае, если нормально работают механизмы восходящей активации коры большого мозга, т.е. бодрствования. При нарушении функционирования последних головной мозг человека погружается в состояние комы, и ни
поведение, ни сознание не могут быть реализованы [13, 40].
Такой подход к пониманию механизмов работы головного мозга млекопитающих остается, к сожалению, чуждым значительной части современных нейробиологов. Подтверждением этому служит либо полное отсутствие упоминаний о механизмах циркадианной ритмики и цикла бодрствование — сон в некоторых учебниках, как отечественных, так и переводных, либо же, в лучшем случае, краткое и не вполне компетентное описание таких механизмов в одной из последних глав. В то же время рассказ об интегративных механизмах мозга должен начинаться с такого описания!
Меж тем опирающаяся на фундаментальную сомнологию медицина сна приобретает все большую социальную значимость. Доказано, что некачественный или недостаточный сон, нарушенный из-за сменной работы или каких-то других внешних причин, усиливает дневную сонливость и приводит к обширному спектру изменений всех нервных и нейроэндокринных функций, включая повышенный уровень гормонов стресса, когнитивные и обменные нарушения, снижение иммунитета, повышение риска онкологических и сердечно-сосудистых заболеваний. Избыточная световая стимуляция и поведенческая активность человека в ночное время — самые обычные причины нарушений цирка-дианного и сонного ритма и его дальнейшей дестабилизации. Разобщение связи между местными осцилляторами в разных тканях или между центральным осциллятором — су-прахиазмальным ядром (СХЯ) и остальным организмом — могут лежать в основе нарушений нейроэндокринных и поведенческих ритмов, что проявляется в виде нарушений сна. Очень серьезные расстройства циркади-анного ритма и нарушения сна отмечаются как при психоневрологических, так и нейро-дегенеративных заболеваниях [63].
Краткое подведение некоторых итогов фундаментальной сомнологии, какими они представлялись в конце первого десятилетия XXI века, содержится в работах [3, 5—12], хотя бы отчасти заполняющих пробел в русскоязычной литературе. Однако ситуация в экспериментальном изучении сна изменяется настолько стремительно, что уже сейчас требуются уточнения и даже, порой, пересмотр ряда положений, еще несколько лет назад, казалось, не вызывающих сомнений. Многие нейрофизиологические и нейрохимические
факторы, которые сейчас воспринимаются как причина смены состояний в цикле бодрствование — сон, в действительности, возможно, являются ее следствием, а истинными причинами оказываются совсем иные процессы, нам пока не известные. Рассмотрение некоторых спорных вопросов и стало целью настоящей обзорно-теоретической статьи.
ДЕФИНИЦИИ И ЭВОЛЮЦИЯ СНА
Согласно предложенному нами еще 20 лет назад определению сон — это "особое генетически детерминированное состояние организма человека и других теплокровных животных, характеризующееся закономерной последовательной сменой определенных полиграфических картин в виде циклов, фаз и стадий" [4]. Такое определение, как нам казалось, позволяет отделить собственно сон, сон "в узком смысле слова", циклически организованное чередование фаз медленного и быстрого сна, характерное для млекопитающих и птиц, от массы всевозможных "сноподобных состояний", в частности от чередования периодов поведенческой активности и монотонного покоя, свойственного холоднокровным позвоночным и беспозвоночным. Казалось естественным, что периоды медленного (медленно-волнового) сна млекопитающих, находящиеся "внутри" эволюционно гораздо более древних периодов поведенческого покоя и требующие для своей реализации высокого уровня развития таламо-кортикальной системы, управляются какими-то более новыми и более совершенными физиологическими и нейрохимическими механизмами.
Однако в конце 80-х — начале 90-х годов прошлого века были опубликованы результаты пионерских исследований Ирен То-блер, Александра Борбели и их сотрудников в Цюрихском Университете [41]. Эти авторы убедительно показали, что, несмотря на монотонный характер, периодам покоя холод* Термины «медленный» и «быстрый» сон имеют около десятка пар синонимов (медленноволновый — быстроволно-вый; обычный, ортодоксальный — парадоксальный; сон без быстрых движений глаз — сон с быстрыми движениями глаз; теленцефалический — ромбэнцефалический; спокойный — активированный и т.д.). Единой общепринятой англоязычной терминологии пока не выработано. Здесь мы используем парные русскоязычные термины, рекомендованные основателем отечественной "медицины сна" и физиологии сна человека акад. РАМН А.М. Вейном (1928— 2003).
нокровных позвоночных и беспозвоночных животных в условиях температурного комфорта присущи некоторые биоритмические, гомеостатические, поведенческие и биохимические черты, которые ранее считались характерными лишь для медленного сна млекопитающих. К таковым относятся: 1) строгая периодичность; 2) способность отвечать «отдачей» на депривацию; 3) постепенное повышение порога поведенческой активации ("пробуждения"); 4) принятие характерной позы; 5) адекватная реакция на введение фармакологических препаратов (так, барбитураты, бензодиазепины, аденозин удлиняют и углубляют периоды покоя, а кофеин, фенамин, модафинил подавляют их).
В дальнейшем эти данные были подтверждены разными авторами в сотнях работ, показавших, что понятия «бодрствования» и "медленного сна" в значительно большей степени применимы к периодам активности и покоя таких модельных организмов, как рыбка-зебра, плодовая мушка и даже плоский червь (!) — крошечная нематода Cae-norhabditis elegans, чем это предполагалось ранее [5]. Это, с одной стороны, привело к терминологической путанице, когда понятия "бодрствование" и "сон" вновь, как в "до-электроэнцефалографическую эру", стали применяться по отношению к пойкилотерм-ным организмам, но с другой — дало мощный толчок в изучении молекулярно-генетических и клеточных основ смены периодов активности и покоя, бодрствования и медленного сна. В результате уже создан ряд новых и интересных экспериментальных моделей, в частности инсомнический фенотип у рыбки-зебры с избыточной экспрессией гена пре-проорексина (пре-прогипокретина). Еще более удивителен "короткоспящий" мутант дрозофилы, у которого отсутствует ген К+-шейкерного канала. Подобные мутанты млекопитающих (мышей) обладают повышенным фоновым уровнем возбудимости мембраны корковых нейронов, менее "склонных" к гиперполяризации (по сравнению с контрольными животными wild type), и, вследствие этого, демонстрируют более высокий суточный процент бодрствования и более низкий — сна (медленного и быстрого в совокупности). Но удивительно, что аналогичный эффект (снижение суточного процента покоя) наблюдается при этом и у мушки, обладающей совершенно иной, гораздо более примитивной организацией нервной системы! Интересно отметить, что калий-
шейкерный мутант имеет и продолжительность жизни на 30% меньше, чем у нормальной мухи [3, 5].
Все эти факты, а также ряд других, которые будут рассмотрены ниже, подталкивают к предположению о том, что локализованные в эволюционно новых об
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.