ЖУРНАЛ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ, 2013, том 63, № 1, с. 113-124
^ ОБЗОРЫ,
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СТАТЬИ
УДК 612.563 + 612.535
ТЕМПЕРАТУРА МОЗГА И СОН
© 2013 г. Д. П. Харакоз
Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН, Пущино,
e-mail: kharakoz@iteb.ru Поступила в редакцию 04.04.2012 г.
Принята в печать 19.10.2012 г.
В статье обсуждается роль температуры в регуляции сна. Рассматриваются феноменологические данные, указывающие на существование причинной, а не просто коррелятивной связи между изменениями температуры мозга и фазами цикла "сон — бодрствование". Показано, что теоретической основой этой причинной связи может быть предложенная ранее фазово-пере-ходная концепция восстановительной функции сна, согласно которой сон — эволюционно выработанный механизм очистки молекулярного состава мембран активной зоны в быстрых синапсах, в которых экзоцитоз зависит от фазового перехода мембраны из жидкого в твердое состояние. Концепция не только отвечает на вопрос о том, почему эта восстановительная функция несовместима с состоянием бодрствования, но и утверждает, что температурные изменения (снижение температуры мозга в медленном сне) являются обязательным условием восстановительного процесса. В завершение описываются некоторые практически важные следствия из сложившейся общей картины, в том числе те следствия, что на первый взгляд выглядят парадоксальными.
Ключевые слова: термофизиология, регуляция сна, восстановительная функция сна, механизм си-наптического экзоцитоза, парадоксы терморегуляции, функция физиологического термостата.
Brain Temperature and Sleep D. P. Kharakoz
Institute of Theoretical and Experimental Biophysics, Russian Academy of Sciences, Pushchino,
e-mail: kharakoz@iteb.ru
Temperature as a regulator of sleep is considered. Phenomenological data are presented indicating that there is a causal (not just a correlative) relationship between the changes in brain temperature and sleep phases in the wake-sleep cycle. An earlier suggested phase-transitional concept of the recovery function of sleep was shown to be the theoretical background for this relationship. According to the concept, sleep is an evolutionary developed mechanism of purification of the molecular composition of membranes in fast synapses, whose exocytosis depends on fluid-to-solid phase transition in the membrane. The concept suggests the answer to the question of why the recovery function is incompatible with the wake state and it states that the temperature changes (its decrease during the slow-wave sleep) is a necessary condition of the recovery process. Finally, some practically valuable issues from the concept are considered, including those that at first glance may seem paradoxical.
Keywords: thermophysiology, sleep regulation, recovery function of sleep, mechanism of synaptic exocytosis, paradoxes of thermoregulation, the function of the physiological thermostat.
DOI: 10.7868/S0044467713010061
Связь между сном и температурой тела известна с античных времен, когда было замечено, что во время сна тело охлаждается [1]. Инструментальное исследование этой связи началось в конце XIX в., когда был сконструи-
рован миниатюрный и чувствительный ртутный термометр, впервые позволивший производить прямые измерения температуры в мозге животного [37]. К настоящему времени на эту тему опубликовано огромное число ра-
бот (см., например, обзоры [4, 9, 31, 34, 36, 40, 41]), сформировался раздел науки под названием "термофизиология" и сложилось убеждение в том, что между терморегуляцией мозга и механизмами регуляции сна существует причинная, а не просто коррелятивная связь.
В настоящем обзоре обосновываются следующие тезисы.
1. Главная функция физиологического термостата состоит не столько в поддержании постоянной температуры, сколько в строго контролируемом периодическом ее изменении.
2. Смена фаз сна сопровождается изменениями температуры мозга. Предполагается, что температура является важнейшим интегральным регулятором в механизме сна.
3. Природа связи между температурой и сном становится ясной, если принять фазово-переходную концепцию о восстановительной функции сна, согласно которой происходит восстановление работоспособности фазово-пе-реходного молекулярного механизма экзоцитоза в быстрых синапсах.
На основании сопоставления основных гипотез о восстановительной функции сна делается выбор в пользу фазово-переходной концепции, связывающей восстановительную функцию с молекулярным механизмом синап-тической передачи. Эта концепция является теоретическим основанием регуляторной роли температурных изменений во время сна. Из сложившихся представлений выводится ряд следствий, которые могут иметь практическое значение для медицины сна.
ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЙ ТЕРМОСТАТ
Физиологический термостат теплокровных содержит все главные блоки, необходимые для функционирования [2, 3, 39, 41]. В нем есть центральный контроллер, управляющий температурой, — гипоталамус. В этом же органе в его преоптической области расположен центральный термометр и задается установочная температура, которая должна системой поддерживаться. Есть управляемые исполнительные элементы. Нагревателем является метаболизм в разных тканях, особенно в мозге, а также в специализированных обогревательных адипозных тканях. Холодильниками являются верхние дыхательные пути, легкие, поверхность кожи (особенно хвоста и конечностей), ушные раковины. Заметим здесь, что мозг охлаждается двумя поступающими в
него артериальными потоками с пониженной температурой — через каротидные и верте-бральные артерии, причем для большинства млекопитающих надежно показано, что температуры этих двух потоков различны. Есть сложная система управления исполнительными элементами. Важным элементом термостата являются теплообменники. Один из видов теплообменников — так называемые чудесные сети, где в тесном контакте находятся сети артериальных и венозных сосудов. Теплообмен осуществляется между каротидным кровотоком, идущим в мозг, и выходящим венозным потоком, предварительно охлажденным благодаря прохождению через слизистую оболочку верхних дыхательных путей и/или ушные раковины. Поэтому каротидные артерии поставляют в мозг более охлажденную кровь, чем вер-тебральные, в которых такой теплообмен отсутствует. Изменяя относительный просвет этих двух видов артерий, организм может переключать температуру мозга при смене фаз сна [41]. Однако наличие у человека такого дополнительного механизма охлаждения ставится под сомнение [35].
Система обратных связей в управлении физиологическим термостатом сложна и мало изучена. Сложность системы приводит к парадоксальному ее поведению. Некоторые парадоксы будут рассмотрены далее в разделе "Следствия и парадоксы".
ТЕМПЕРАТУРА - ИНТЕГРАЛЬНЫЙ РЕГУЛЯТОР АКТИВНОСТИ НЕЙРОННЫХ ПРОЦЕССОВ
Изменения температуры разных отделов мозга происходят в результате двух основных процессов: изменения локальной метаболической активности клеток мозга и изменения температуры и скорости потока крови, поступающей в мозг [4, 31]. Существует множество данных, указывающих на то, что изменения температуры не являются лишь пассивным отражением физиологических процессов, но являются активным регуляторным фактором, определяющим функционирование мозга. Рассмотрим экспериментальные данные, полученные в наиболее систематичном исследовании Е.А. Кияткина и коллег (данные взяты из обзора [31]). Измерялась температура разных отделов мозга крысы в ответ на стимуляцию. В качестве стимулов были использованы болевое раздражение хвоста, социальный контакт с другой особью, сексуальное возбужде-
2.5 г
35 36 37 38 39
Начальная температура, °C
Рис. 1. Амплитуда температурной реакции прилежащего ядра (nucleus accumbens) в мозге крысы в ответ на стимул зависит от начальной температуры. График построен по данным работы [31]. Прямые линии не являются линиями регрессии — они проведены произвольно по формулам, приведенным на рисунке, с целью дать наглядный ориентир для масштаба температурных эффектов; линия с коэффициентом наклона а=1.0 соответствует случаю, когда приращение ординаты равно приращению абсциссы. Объяснение в тексте.
Fig. 1. The amplitude of the change of temperature of the nucleus accumbens in the brain of rat in response to stimuli depend on initial temperature. The figure is constructed according to data from [31]. The straight line a not the regression lines — they are drawn according arbitrary formulae presented in the figure aimed to present a reference for the scale of temperature effects; the coefficient а=1.0 corresponds to the case when the increment of ordinate is equal to the increment of abscissa. See text for other details.
ние. В ответ на стимул всегда возникало повышение температуры мозга. Причем обнаружилось, что амплитуда изменения температуры зависит от начальной температуры данного отдела мозга в данный момент времени: чем ближе исходная температура к некоторой особой точке, тем меньше амплитуда ответа на стимул. На рис. 1 приведен пример температуры в прилежащем ядре (nucleus accumbens). Картина выглядит так, будто для этого отдела мозга величина около 38.5°С — это особая целевая точка, к которой стремится температура для обеспечения оптимального выполнения поведенческой задачи. Интересно отметить, что в случае, когда температурная реакция максимальна (это наблюдается при сексуальном возбуждении), температура поднимается ровно настолько, чтобы сразу оказаться в этой особой точке. На основании этого и других наблюдений автор исследования приходит к выводу, что изменения температуры мозга не являются
пассивным отражением интенсивности метаболизма, а, напротив, являются регуляторным фактором, управляющим активностью нервной ткани.
ТЕМПЕРАТУРА И СОН:
ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКИЙ АСПЕКТ
Существует множество указаний на наличие причинной связи между температурой тела (мозга) и сном. Засыпание, как правило, наступает в те часы, когда циркадианный ритм температуры тела снижается; пробуждение — в фазу подъема температуры; склонность ко сну наиболее сильна в часы с минимальной температурой тела
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.