Автор: И. Н. ПИГАРЕВ

Статьи данной рубрики отражают мнения авторов (прим. ред.)

стр. 60

Доктор биологических наук И. Н. ПИГАРЕВ, Институт проблем передачи информации РАН

Существенную часть жизни животные и люди проводят во сне. Однако до настоящего времени не было ясного представления о функциональном назначении этого состояния. Исследования, начатые в Институте проблем передачи информации РАН, открывают неожиданный подход к решению данной загадки физиологии.

Со времени открытия немецким физиологом Г. Бергером в начале прошлого века электрической активности мозга и факта ее радикальной перестройки при переходе от бодрствования ко сну едва ли вызывало сомнение участие головного мозга, в частности его коры, в этом процессе. Начатые исследования одиночных корковых нейронов в периоды сна и бодрствования заставили изменить казавшуюся когда-то совершенно естественной интерпретацию состояния сна как отдыха мозга. Было определенно установлено, что частота импульсации корковых нейронов не только не снижается при засыпании, но часто может даже усиливаться. В спящем мозге нейроны продолжают активную работу, назначение которой оставалось за пределами понимания*. Описываемые людьми сновидения, несомненно, способствовали появлению гипотез, связывающих изучаемый процесс в первую очередь с психической активностью.

В последнее время доминируют представления об особой роли сна в процессах памяти и внимания. Эксперименты действительно указывают на возможную их связь. Однако влияние тех или иных нарушений сна на память и внимание столь мало по сравнению с изменениями в мозговой активности в это время, что их едва ли можно считать отражением именно такой основной функции данного состояния.

К тому же гипотезы, связывающие особую роль сна в обеспечении нормальной деятельности мозга, трудно согласуются с результатами гистологических исследований тканей, взятых у животных после длительных периодов принудительного бодрствования. Единственным органом, в котором не обнаруживается при этом патологических изменений, оказывается сам мозг. С другой стороны, даже короткое лишение сна сказывается на нормальной работе, например, желудочно-кишечного тракта. И чем продолжительнее периоды непрерывного бодрствования, тем ярче выражены его последствия для организма: появляются язвы на стенках

* См.: М. В. Ковальзон. Загадочные "пептиды сна". - Наука в России, 1997, N 3 (прим. ред.).

стр. 61

Ответы нейрона первичной зрительной коры мозга кошки на электрическую стимуляцию кишечника, нанесенную в состоянии медленноволнового сна (А) и в бодрствовании (В).

желудка, кишечника, на коже, выпадает шерсть и животное погибает.

Нам казалось очевидным, что гипотеза о функциональном назначении сна прежде всего должна связать происходящие в этот период изменения мозговой активности именно с патологией во внутренних органах, возникающей из-за его лишения. В данном контексте обращали на себя внимание результаты классических анатомических исследований хемо-, механо - и терморецепторов, распределенных по всем внутренним органам и передающих информацию в центральную нервную систему о химической среде, давлении и температуре в определенных точках. Было показано: количество таких рецепторов, расположенных только по стенкам желудочно-кишечного тракта, соизмеримо с числом палочек и колбочек в сетчатке глаз. А ведь для обработки поступающей от нее информации используется более двух третей коры мозга. И это не вызывает удивления, поскольку мы можем легко оценить сложность задач вычисления, стоящих перед зрительной системой.

В то же время ряд экспериментов на бодрствующих животных свидетельствовал, что в головном мозге

Усредненные кривые частоты нейронной активности в зрительной зоне коры мозга кошки (А) и усредненная нервно-мышечная активность двенадцатиперстной кишки (В), зарегистрированные в период медленноволнового сна. Усреднение выполнено по моменту отрицательного пика в активности кишки (момент 0) для семнадцати фрагментов, включающих по три перистальтических цикла.

стр. 62

Вызванные потенциалы в ответ на электрическую стимуляцию зоны кишечника (красная вертикальная линия), полученные усреднением ЭЭГ, зарегистрированной в затылочной коре двух обезьян (М1 и М2).

анализ данных о состоянии внутренних органов в аналогичном объеме не производится. Что касается автономной, или вегетативной, нервной системы, призванной их обслуживать, то в ее состав входят многочисленные сравнительно небольшие скопления нервных клеток, так называемые висцеральные (относящиеся к внутренним органам) ганглии, связанные либо с отдельным органом, либо с его частью. Но структуры, способные к интегрированному анализу этой информации, там отсутствуют. Получалось, таким образом, что поток сведений о состоянии внутренних органов, соизмеримый по объему с потоком зрительной информации, практически не имеет своего представительства в коре больших полушарий.

Подобная картина нам представлялась маловероятной. Необходимость наличия мощного мозга для обработки информации, поступающей от внутренних органов, - так называемого висцерального мозга, сравнимого по объему с величиной отделов, вовлеченных в анализ сведений об окружающей среде, - не вызывала сомнений.

Итак, перед нами стояли две проблемы. Во-первых, нужно было ответить на вопрос, почему в состоянии сна, когда активно блокируется передача информации из внешнего мира в мозг и отключено сознание, нейроны коры продолжают интенсивно разряжаться, реагируя на сигналы, поступающие неизвестно откуда. Причем если животное лишить этого непонятного состояния, то появляются многочисленные расстройства в работе важнейших органов, в конечном итоге приводящие к смерти. Во-вторых, нам хотелось понять, каким образом тело - сложнейшая конструкция! - функционирует без нервного центра, координирующего огромный поток информации, поступающей от всех его органов и направляющийся неведомо куда.

Казалось естественным объединить эти проблемы. Мы предположили, что в живых организмах отделы коры мозга, в состоянии бодрствования анализирующие сигналы из внешнего мира, во время сна используются для обработки сведений, получаемых от внутренних органов. Другими словами, сон существует

Усредненные вызванные потенциалы, зарегистрированные в ответ на электрическую стимуляцию органов брюшной полости в соматосенсорной (А) и зрительной (В) коре мозга кролика. Момент стимуляции отмечен красной пунктирной линией.

стр. 63

для того, чтобы дать возможность мозгу, и прежде всего его коре, на основании информации, поступающей от распределенных по организму рецепторов, всесторонне оценить физическое состояние тела и разработать программы действий для поддержания его параметров в пределах генетически заданных норм. В рамках такого подхода следовало, что именно ритмика внутренних органов (сердечные сокращения, дыхательные движения, перистальтика желудочно-кишечного тракта и т.п.) могла определять хорошо известную медленноволновую электрическую активность коры мозга во время сна. Теоретическое рассмотрение гипотезы, поначалу казавшейся фантастической, показало: в нее органично вписываются общепринятые в науке представления как о нормальном сне, так и о многих его нарушениях. Это давало основание для постановки прямых экспериментов с целью проверки нашего предположения.

Начальные опыты были проведены с нейронами первичной зрительной коры мозга кошек, так называемой зоны VI. Заметим: она является наиболее изученной, и у физиологов не возникало сомнений в абсолютной ее специализации на обслуживании функции зрения. Регистрацию активности нейронов этой зоны коры больших полушарий проводили у животных в условиях длительных хронических опытов. Кроме того, непосредственно перед экспериментами с помощью игл для инъекций вводили пару стимулирующих электродов, которые располагали в области тонкого кишечника.

Как и следовало ожидать, в состоянии бодрствования нейроны исследуемой зоны коры активизировались лишь в ответ на зрительную стимуляцию. При первых признаках сонливости рисунок их импульсации становился типичным для засыпания: появлялись паузы между разрядами, а сами они группировались в высокочастотные пачки. Затем активность типа "пачка-пауза" начинала абсолютно доминировать. После наступления глубокого сна, который контролировали по записи электрической активности мозга и наблюдению за характером движений глаз, регистрируемых чувствительным электромагнитным методом, переходили к электрической стимуляции кишечника и желудка.

Особое внимание мы уделяли тому, чтобы применяемый ток не будил спящее животное. Однако вскоре обнаружили: стимуляция внутренних органов, наоборот, часто переводит сон в еще более глубокую фазу. Эксперименты показали: в период сна нейроны зрительной коры действительно начинали реагировать на стимуляцию органов пищеварения. Однако сразу после пробуждения эти ответы прекращались, и нейроны возвращались к прежней своей роли.

Впрочем, такие же свойства обнаружились не только у зрительной коры. Опыты с нейронами поля V соматосенсорной коры кошки - зоны, в бодрствовании ответственной за обработку информации, поступающей от мышц и суставов тела, продемонстрировали аналогичный результат. Как и в зрительной коре, нейроны поля V отвечали на стимуляцию внутренних органов, нанесенную во сне, и эти ответы исчезали сразу же после пробуждения животного.

Итак, проведенные эксперименты подтверждали нашу гипотезу: в период сна активизируется канал связи между органами брюшной полости животного и отделами коры больших полушарий, которые в состоянии бодрствования анализируют зрительную или соматическую информацию.

Однако оппоненты возражали: в работе использовались искусственные электрические стимулы и потому полученные ответы могли быть "неспецифичными" и не отражающими реальную картину. На следующем этапе мы поставили целью провести аналогичное по смыслу исследование в естественных условиях функционирования всех систем организма. Совместно с заведующим лабораторией кортико-висцеральной физиологии Института физиологии им. И. П. Павлова РАН (Санкт-Петербург), доктором биологических наук В. А. Багаевым кошкам имплантировали регистрирующие электроды в гладкомышечные стенки желудка и двенадцатиперстной кишки. Электрическую активность этих органов в период глубокого сна сопоставляли с импульсацией нейронов в различных отделах коры мозга. Полученные результаты опытов подтвердили очевидную взаимозависимость данных процессов.

Для детального исследования связи естественной перистальтической активности кишечника и активности корковых нейронов во время сна сотрудник нашего института Г. О. Федоров составил программу, позволяющую автоматически анализировать электрическую активность, регистрируемую из гладкомышечной стенки кишечника. Программа выделяла моменты начала перистальтических циклов и сортировала эти циклы на два типа по наличию или отсутствию в них высокочастотных электрических пиков (спайк-потенциалов). Их присутствие отмечает перистальтические циклы с особо сильными сокращениями гладкомышечной мускулатуры стенки кишки.

Анализ полученного материала, выполненный с применением этой программы аспиранткой Е. Л. Левичкиной, показал: примерно половина исследованных корковых нейронов, связанных в бодрствовании с анализом зрительной информации, в определенные периоды медленноволнового сна демонстрирует корреляцию с фазами перистальтических циклов двенадцатиперстной кишки. Более того, было обнаружено, что в большинстве случаев активность определенного коркового нейрона коррелировала лишь с одним из двух выделяемых типов перистальтических циклов. Это наблюдение явилось первым указанием на наличие избирательности корковых нейронов к определенным физиологическим процессам, идущим в органах брюшной полости.

Кроме того, в периоды медленно-волнового сна в активности более половины нейронов исследованных нами корковых зрительных зон кошек отражалась и активность желудка. Было замечено: пики его электрической активности во время сна часто совпадали с движениями глазных яблок. Это свидетельствовало о том, что во время сна информация о процессах в стенке желудка достигает мозговых центров, участвующих в управлении взором животного в состоянии бодрствования.

Все вышеприведенные результаты получены в экспериментах на кошках. Представлялось важным установить, является ли переключение по-

стр. 64

токов висцеральной информации в периоды сна в центральные мозговые центры общим свойством всех спящих животных и, прежде всего, можно ли его распространить на приматов и человека. Поэтому мы сочли важным повторить это исследование на обезьянах.

Это было осуществлено в лаборатории профессора М. -Т. Херреро в Университете города Мурсия (Испания). У обезьян регистрировали электроэнцефалограмму от электродов, расположенных над зрительной корой. Электрическая стимуляция органов брюшной полости, нанесенная в состоянии бодрствования, не отражалась на картине усредненной электроэнцефалограммы. Однако такая же стимуляция в периоды медленноволнового сна приводила к отчетливым электрическим ответам - так называемым вызванным потенциалам.

В последнее время от демонстрации явления переключения потоков висцеральной информации в цикле сон-бодрствование мы постепенно переходим к углубленному его изучению. Недавно в наших совместных экспериментах в Университете Барселоны (Испания), в лаборатории профессора Е. Алмиралл, вызванные корковые ответы на электрическую стимуляцию органов брюшной полости во время сна были детально исследованы у кроликов. В этих опытах впервые продемонстрирована сложная пространственно-временная картина передачи сигналов от внутренних органов в разные зоны коры на протяжении длительных интервалов медленноволнового сна. Таким образом, ответы сенсорных корковых зон на стимуляцию органов брюшной полости во время медленноволнового сна продемонстрированы в экспериментах на кошках, кроликах и обезьянах. Показана корреляция корковой нейронной активности с естественной электрической активностью желудка и двенадцатиперстной кишки. Полученные экспериментальные данные являются серьезным аргументом в пользу предложенной висцеральной гипотезы функционального назначения сна. Здесь уместно подчеркнуть: данную гипотезу не следует понимать так, что висцеральная информация по некоторой непонятной причине передается в кору мозга во время сна и может там анализироваться параллельно с осуществлением другой основной функции этого состояния.

Мы предполагаем, что прерывание потоков информации от внешней среды в кору осуществляется именно для того, чтобы освободить корковые нейроны полностью для обработки информации о текущем физическом состоянии тела. Это, по нашему мнению, и является основной, а может быть, и единственной функцией сна. Значит, гигиена сна должна стать одной из ведущих составляющих поддержания здорового функционирования организма.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ N 04 - 04 - 48359.

Постоянный адрес данной публикации: