Электрофизиологически момент засыпания, т. е. наступления фазы медленного сна, проявляется тем, что обычная активность корковых нейронов с характерным для бодрствования альфа-ритмом 8–13 Гц изменяется, на смену ему приходит менее высокий и упорядоченный тета-ритм засыпания частотой 4–8 Гц. Эти изменения отражают снижение таламических влияний на кору мозга, поскольку ВЛПО подавляет и активность основного источника активации таламических нейронов – холинергического педункулопонтинного/латеродорзального ядер.
Лишившись источника активации, таламические нейроны перестают пропускать дальше сигналы от органов чувств и начинают генерировать собственный ритм, который передается на корковые нейроны и заставляет их попеременно то гиперполяризовываться до значений –75 –90 мВ (когда генерация потенциала действия практически невозможна), то деполяризовываться до величины –61 мВ, когда, наоборот, разряд генерируется очень легко (порог потенциала действия составляет –55 мВ). Есть предположение, что таким образом осуществляется «прочистка» ионных каналов нервной клетки, что позволяет улучшить возможности генерации разряда в дальнейшем (гипотеза назначения медленного сна, иронически называемая «вантузной»).
Нехарактерная для бодрствования электрическая активность нейронов таламуса, управляющих корковыми нейронами, приводит к тому, что во время сна мы наблюдаем и совсем иные, не похожие на ЭЭГ бодрствования, формы активности. После засыпания на ЭЭГ сначала появляются так называемые «веретена сна» – короткие разряды нейронов, объединенные в пачки, затем корковые нейроны начинают работать синхронно, разряжаясь и замолкая огромными группами, что проявляется медленными и очень высокоамплитудными волнами (дельта-волны) в глубоком медленном сне.
Загадкой для ученых остается необходимость для мозга через определенное время переходить из состояния медленного сна в быстрый (парадоксальный) сон. Цикл сна здорового взрослого человека составляет около 90 минут – в течение ночи фазы сна сменяют друг друга 4–6 раз. Почему мозговой механизм взрослого человека отмеривает 90-минутные интервалы чередования фаз сна, непонятно. Ведь если необходимость в двух отдельных состояниях сна существует, то почему бы людям и животным не спать, например, три четверти ночи медленным сном, а оставшуюся четверть – быстрым? Тем не менее, несмотря на непонятную до сих пор обязательность регулярной смены фаз сна, сам механизм переключения из медленного сна в быстрый изучен неплохо.
С генерацией быстрого сна связаны две группы ядер, относящихся, как это ни странно, к активирующей системе мозга. Это ацетилхолинергические педункулопонтинное ядро (ППЯ) и латеродорзальное ядро (ЛДЯ). Нейроны в этих ядрах демонстрируют высокую активность как в состоянии бодрствования, так и в состоянии быстрого сна. Кроме того, в быстром сне активируется еще одна область ствола мозга, расположенная спереди и ниже, – сублатеродорзальная глутаматергическая зона, отвечающая за выключение мышечного тонуса в период быстрого сна.
Но главным инициатором быстрого сна является другая группа нейронов, расположенная в заднем гипоталамусе рядом с центром медленного сна ВЛПО. Эти нейроны также выделяют ГАМК. Гипоталамический центр быстрого сна является тормозным по отношению к двум расположенным в верхних отделах ствола ядрам – ГАМКергическому околопроводному серому веществу (ОСВ) и ацетилхолинергическому педункулопонтинному/латеродорзальному ядрам покрышки (ППЯ/ЛДЯ). Эти ядра подавляют активность центров быстрого сна в стволе мозга – упомянутых двух парагигантоклеточных ядер и сублатеродорзального ядра. Когда активность ППЯ/ЛДЯ тормозится, то происходит «выключение выключателей» и стволовые центры быстрого сна высвобождаются от их тормозящего влияния и начинают обеспечивать процессы, связанные с фазой быстрого сна. Сублатеродорзальное ядро (СЛДЯ) с участием латерального гигантоклеточного ядра обеспечивает характерное для быстрого сна подавление мышечного тонуса, поэтому при переживании содержания сновидений, даже эмоционально активных, у здорового человека соответствующая двигательная активность не возникает. Период быстрого сна обычно заканчивается полным или неполным (это называется ЭЭГ-активацией) пробуждением, после которого происходит возобновление сна уже с медленной его фазы.
Модель, объясняющая переключение с бодрствования на сон и с медленного сна на быстрый, была предложена исследователем из Гарвардского университета Клиффордом Сейпером в 2005 г.
В этой модели очень важная роль отводится системе орексина/гипокретина, которая известна как активирующая система. Сейпер описывает орексиновую систему еще и как «пружину», поддерживающую переключатель «сон-бодрствование» в одном из двух фиксированных положений. В концепции взаимодействия систем, обеспечивающих сон и бодрствование, орексиновая система рассматривается как «активатор активаторов». В бодрствовании она помогает другим активирующим системам подавлять гипоталамический центр медленного сна. Наступление темного времени суток и накопление избытка аденозина приводит к повышению активности ВЛПО. Этот центр высвобождается из-под контроля и сам начинает тормозить орексиновую систему, в еще большей степени подавляя и другие связанные с ней активирующие системы, что обеспечивает стабилизацию состояния сна.
В том случае, когда орексиновая система перестает работать, например при нарколепсии, когда большинство нейронов, выделяющих этот нейромедиатор, погибает, то качели, на разных концах которых «сидят» активирующие и тормозящие системы, начинают непредсказуемо склоняться то в одну, то в другую сторону. Это объясняет, почему у больных нарколепсией случаются внезапные засыпания днем и, наоборот, нарушения сна ночью. Дополнение к этой модели, показывающее роль орексиновой системы как стабилизатора переключения медленного и быстрого сна, было опубликовано в 2006 г. той же группой исследователей из Гарварда. Они показали, что орексиновые нейроны удерживают в выключенном состоянии нейроны латеральной покрышки моста, что позволяет другой группе нейронов (сублатеродорзального ядра покрышки, СЛДЯ) обеспечивать стабильное состояние быстрого сна.
Орексиновые нейроны гипоталамуса тесно связаны по локализации и по функции с морфологически схожими клетками, которые вырабатывают другой нейромедиатор, называемый меланинконцентрирующим гормоном (МКГ). В отличие от орексиновых нейронов, клетки, вырабатывающие МКГ, активны не в бодрствовании, а в фазе быстрого сна. Считается, что эта система отвечает за торможение пробуждения в фазе быстрого сна.
Нерешенным остается вопрос, какой же внутренний генератор с 90-минутной периодичностью (у человека) запускает центр быстрого сна и почему через несколько десятков минут быстрый сон заканчивается и вновь наступает фаза медленного сна. Предполагают, что эту роль играет гипоталамический центр быстрого сна, поскольку он находится в тесной связи с внутренними часами – супрахиазменными ядрами.
Выдающийся исследователь сна Натаниэль Клейтман из Чикаго сформулировал положение о том, что 90-минутный цикл чередования фаз сна является одним из основных ритмов человеческого организма. Он назвал его «базовый цикл покоя-активности» (basic rest-acticity cycle, BRAC)
. Ученый предполагал, что, несмотря на универсальность, мы можем наблюдать этот цикл только в состоянии сна, поскольку в дневное время его проявления «зашумляются» другими видами жизненной активности. Социальное взаимодействие, эмоции, физическая активность – все это не позволяет выявить характерные колебания мозговой активности, которые мы наблюдаем в ночное время, когда произвольная регуляция поведения невозможна. Клейтман и его ученики, разрабатывавшие данную идею, обнаружили признаки BRAC у детей и «залеченных» психически больных людей, у которых внешние стимулы и внутренняя умственная деятельность не были столь сильными, чтобы маскировать этот ритм. После смерти Натаниэля Клейтмана исследования в той области на длительное время прекратились, сейчас они проводятся путем изучения двигательной активности человека методом актиграфии.
