Два механизма сна: время дня (мелатонин) и усталость (аденозин).

Почему каждый день примерно в одно и то же время у человека возникает возможность уснуть, а наутро - проснуться, объясняет теория «двух процессов» (усталость и циркадный ритм). Согласно этой теории вероятность наступления сна регулируется взаимодействием двух процессов в мозге. Первый из них, гомеостатический, связан с накоплением в течение бодрствования с последующей нейтрализацией во время сна некоего вещества – «гипнотоксина». Кроме неуклонно возрастающей по мере дневного бодрствования склонности ко сну, существуют и колебания значений некоторых характеристик высшей нервной деятельности, таких как уровень бодрствования, способность концентрировать внимание и субъективно оцениваемая усталость в течение суток. Минимальные значения этих показателей приходятся на ранние утренние часы, наилучшие - на послеобеденное время. В течение нескольких суток такие изменения имеют вид синусоидальной кривой, которая отражает воздействие некоего хронобиологического фактора, связанного со временем суток.

Согласно теории «двух процессов» возможность наступления сна возникает тогда, когда уровень гипнотоксина в организме уже достиг достаточно высокой концентрации, а уровень мозговой активности наоборот приближается к нижнему значению синусоиды, при этом открываются «ворота сна». Если в это время человек выключит свет (т.е. задействует стимуляцию выработки мелатонина), примет горизонтальное положение, закроет глаза, то достаточно быстро заснет. Сон его будет продолжаться до тех пор, пока гипнотоксин не переработается, а уровень мозговой активации, пройдя за ночь свой минимум, начнет утром повышаться. При этом «ворота сна» закроются и человек проснется от любого внешнего воздействия.

Теория давления сна или гипнотоксина.

Гипнотоксин – это гипотетическое вещество, которое накапливается при бодрствовании и вызывает сон. Лежандр и Пьерон в 19 веке проводият свои знаменитые опыты на собаках. Привязанным к стене собакам не дают спать день за днем. На десятый день собаки уже не могут ни открыть глаз, ни пошевельнуть лапой; беспомощно висят они в своих ошейниках, оплетенные поддерживающими их лямками. Тут их умерщвляют и подвергают исследованию их мозг. В мозгу творится нечто немыслимое. "С пирамидными нейронами лобной коры происходят поистине страшные вещи, - повествует очевидец, - они словно только что перенесли нападение врагов. Форма их ядер изменилась до неузнаваемости, мембраны изъедены лейкоцитами". Но если собакам перед умерщвлением дают хоть немного поспать - в клетках никаких изменений! То же наблюдает в своей лаборатории и русский физиолог М. М. Манасеина. Щенки держатся у нее без сна не более пяти суток. У них падает температура, сгущается кровь. В коре головного мозга погибших животных Манасеина обнаруживает жировое перерождение нервных центров. Сосуды окружены густым слоем лейкоцитов и кое-где разорваны, будто их и впрямь пожирал какой-то яд. Лежандр и Пьерон так и назвали его: гипнотоксин, сонный яд.

Но существует ли гипнотоксин в действительности? Лежандр и Пьерон брали у долго не спавших собак кровь, спинномозговую жидкость и экстракт из вещества головного мозга и впрыскивали их бодрствующим собакам. Собаки тотчас обнаруживали все признаки утомления и засыпали беспробудным сном. В их нервных клетках появлялись те же изменения, что и у долго не спавших собак. Ясно, что гипнотоксин существует. Но что он собой представляет, Лежандру и Пьерону выяснить не удалось. Их опыты были продолжены и доведены до наших дней. У больных патологической сонливостью брали спинномозговую жидкость, вводили ее бодрствующим собакам, и те сразу засыпали. Мозговой экстракт, взятый у находившихся в спячке сусликов, оказался превосходным снотворным для кошек. В 1965 году швейцарский нейрофизиолог Монье создал на собаках модель сиамских близнецов. У двух собак было налажено перекрестное кровообращение: кровь от мозга одной собаки текла к туловищу другой, и наоборот. Когда одной собаке раздражали отдел мозга, ведающий засыпанием, она погружалась в сон. Через несколько минут к ней присоединялась другая собака. Монье объяснял это тем, что вместе с кровью первой собаки ко второй прибывает какое-то вещество, стимулирующее сон.

Аденозин и регуляция сна.

В современно понятии, тем самым «гипнотоксином» является вещество под названием аденозин. Аденозин — это нуклеозид, состоящий из аденина и D-рибозы. Он, в частности, входит в состав молекулы АТФ — аденозинтрифосфорной кислоты. Это вещество играет основную роль в энергетическом метаболизме тканей и, в том числе, регулирует работу мозга, заставляя отключаться уставшие нейроны.

Аденозин – это очень распространенная в организме молекула, которая играет важную роль в биохимических процессах, таких как передача энергии и сигналов. Но нас в первую очередь интересует работа аденозина в мозге. Аденозин также является нейротрансмиттером подавляющего типа. Аденозин играет роль в стимуляции сна и подавлении бодрости, поскольку его концентрация увеличивается во время продолжительного бодрствования организма и уменьшается во время последующего сна.

Аденозин – главные регулятор энергетического обмена нейронов. У аденозина есть много механизмов действия, но самым главных из них является защитное, сдерживающее. Он играет роль в стимуляции сна и подавлении бодрости, поскольку его концентрация увеличивается во время бодрствования организма.

Аденозин является центральным связующим звеном между энергетическим обменом и нейрональной активностью. Уровень аденозина изменяется в соответствии с поведенческим состоянием и (пато)физиологическими состояниями. В условиях повышения потребности и снижения доступности энергии (таких как гипоксия, гипогликемия и/или чрезмерная активность нейронов), аденозин обеспечивает эффективный защитный механизм обратной связи.

Это значит, что аденозин обеспечивает чувство усталости , защищая наши мозги от перенапряжения. Накопление в ткани мозга аденозина, например, при тяжелой умственной и физической работе, способствует стимуляции А1-аденозиновых рецепторов, что влечет за собой активацию тормозных процессов в коре головного мозга, предотвращающую истощение нервной деятельности. Это значит, что чем больше аденозина, тем сильнее подавление нервных клеток и чувство усталости. Интересно, что главные процессы, связанные с аденозином, протекают не в самих нейронах, а в вспомогательных глиальных клетках мозга – астроцитах.

Аденозин, астроциты и энергия.

Наш мозг достаточно прожорливый и ему требуется много энергии. Обычно мозг использует до 50% всей глюкозы, это соответствует 100 граммам глюкозы в день. Самое активное участие в энергозависимых процессах мозга принимают две группы клеток — нейроны и астроциты. Астроциты выполняют ключевые функции в головном мозге: снабжение питательными вещества нейронов, контроль внеклеточного ионного гомеостаза, модуляция проницаемости ГЭБ, связь активности нейронов с локальным кровоснабжением, хранение и высвобождение гликогена.

Астроциты — это специализированные глиальные клетки, чья функция заключается главным образом в обеспечении нейронов энергетическими ресурсами (глюкозой) и в борьбе с активными формами кислорода (АФК) и азота. При этом количество астроцитов в мозге в несколько раз превышает количество нейронов, и в результате получается, что каждый нейрон включен в целый ансамбль астроцитарных клеток.

Довольно разные функции нейронов и астроцитов определяют и разные пути использования энергетических ресурсов этими клетками. Глюкозо-6-фосфат, образующийся из глюкозы, нейронами по большей части направляется в цепь метаболических превращений пентозофосфатного пути (ПФП), а в астроцитах вовлекается в цепь гликолитических реакций.

Как только в астроцитах уменьшается запас гликогена, они начинают вырабатывать аденозин . Аденозин снижает нейронную активность. Почему это важно? Потому, что кроме аденозина, астроциты защищают нейроны от оксидантных проявлений. Если нейронная активность будет продолжаться при низкой активности астроцитов, то это может привести к повреждению нейронов.

Роль аденозина хорошо исследована и в работах Маккарли. Маккарли и его бригада сначала отследили уровни аденозина путем извлечения образцов мозговой жидкости от кошек всюду по нормальным циклам следа сна. Они обнаружили, что концентрация аденозина повышается постоянно во время периодов настороженности, когда мозг использует большую часть энергии и понижается во время дремоты или глубокого сна. "Согласно одной из популярных теорий, в течение дня человек накапливает аденозин, а во время сна это вещество расходуется", - к такому выводу пришел исследователь Томмасо Феллин в ходе своего исследования. Аденозин подавляет нейроны, которые обычно стимулируют кору головного мозга и заставляет человека бодрствовать. Научно доказано, что именно астроциты вырабатывают аденозин. В эксперименте специалисты использовали генетически модифицированных мышей, у которых была подавлена выработка аденозина из астроцитов. Без этого вещества мыши практически перестали спать.

Аденозин как антифриз мозга: защита от повреждения.

Нормальная работа аднозиновой системы важна для поддержания когнитивных функций головного мозга. Концентрация аденозина в мозге отражает энергетический статус клеток: чем выше уровень потребления энергии и чем выше степень истощения энергетических ресурсов в мозге, тем быстрее растет концентрация аденозина. Накапливаясь в мозге, особенно после необычно продолжительного бодрствования, аденозин вызывает чувство усталости и сонливость.

Данные показывают, что аденозин в головном мозге действует, защищая мозг путем подавления нейронной активности и увеличения кровотока через рецепторы, расположенные на гладких мышцах сосудов. Уровни аденозина в мозгу увеличиваются при воздействии метаболического стресса, например, при отсутствии кислорода и прерывании кровотока. Существуют доказательства того, что в некоторых частях мозга аденозин функционирует как синаптически высвобождаемый нейромедиатор; однако, аденозин, связанный со стрессом, увеличивается, по всей видимости, при производстве с помощью внеклеточного метаболизма АТФ.

Нейропротективное действие аденозина. Аденозин действует в качестве ингибирующего нейромедиатора, который подавляет активность центральной нервной системы. Работает это примерно так. В базальном переднем мозге есть большая популяция холинергических нейронов, экспрессирующих на своих мембранах аденозиновые А1-рецепторы и посылающих свои проекции к неокортексу, нейроны которого также содержат много аденозиновых А1-рецепторов. Аденозин, накапливаясь, связывается со своими рецепторами, активирует их и, таким образом, меняет электрохимический баланс в синапсах (например, уменьшает уровни дофамина и норэпинефрина). Продуцируемый тормозный сигнал направляется к коре, где и происходит торможение – переключение с состояния бодрствования на состояние сна.

Аденозин, таким образом, является ключевой молекулой в регуляции гомеостатической составляющей сна. Вот почему кофеин, блокируя аденозиновые рецепторы, способствует прекращению тормозного действия аденозина, что клинически проявляется в повышении умственной и физической работоспособности и пролонгации состояния бодрствования. Поскольку кофеин является и водо- и жирорастворимым соединением, он легко пересекает гематоэнцефалический барьер, отделяющий кровоток от внутренней части мозга. Оказавшись в головном мозге, кофеин действует как неселективный антагонист аденозиновых рецепторов (другими словами, как вещество, снижающее эффекты аденозина). Молекула кофеина структурно подобна молекуле аденозина, и может связываться с аденозиновыми рецепторами на поверхности клеток без их активации, тем самым действуя как конкурентный ингибитор.

Но не только. Не давая аденозину сделать свою работу, кофеин способствует выбросу в кровь из коры надпочечников норадреналина – нейромедиатора активного бодрствования, уровень которого обычно повышается в стрессовых ситуациях для мобилизации сил организма. Поскольку невозможно бесконечно мобилизовать эти силы, прием кофе, в конце концов, приводит к истощению.

Успокаивающее действие аденозина. Внутри организма кофеин действует посредством нескольких механизмов, но его наиболее важным эффектом является противодействие веществу, называемому аденозин, которое естественным образом циркулирует в высоких уровнях во всем организме, и особенно в нервной системе. В мозге аденозин обычно играет защитную роль, частично снижая уровни нервной активности. Например, имеются данные о том, что аденозин вызывает оцепенение у животных во время сезонной спячки. Также аденозин снижает выделение многочисленных возбуждающих медиаторов. Наиболее убедительно экспериментально показано действие аденозина, приводящее к уменьшению нейрональной активности. На пресинаптическом уровне аденозин ингибирует высвобождение целого ряда нейротрансмиттеров, таких, как ацетилхолин, норадреналин, дофамин, серотонин, глутамат.

Блокада аденозиновых рецепторов кофеином приводит к повышению активности аденилатциклазы и накоплению цАМФ, что вызывает адреналин-подобные эффекты, лежащие в основе психостимулирующего эффекта кофеина. Этот эффект усиливается способностью кофеина ингибировать фосфодиэстеразу, что также ведет к повышению уровня цАМФ.

Благодаря технике нейроимиджинга можно наглядно увидеть в каких мозговых структурах кофеин проявляет максимальные эффекты (максимально эффективно связывается с аденозиновыми рецепторами).

Ими являются неокортекс, таламус, гиппокамп и мозжечок. МРТ/РЕТ изображение латеральной части головы подопытного. В центре – рецепторы аденозина (ярко оранжевый), место связывания кофеина, распределены по всему мозгу. Справа – после в/в инъекции кофеина (4,1 мг/кг массы тела). Аденозиновые рецепторы больше не видны, поскольку кофеин связался с ними. Источник: Bauer, Elmenhorst. Caffeine Kick, 2013 (q-more.chemeurope.com)

Нарушения работы аденозиновой системы.

Работа, проведенная профессором психиатрии Робертом В. Грином (Robert W. Greene), заставляет предположить, что аденозин — это антифриз для мозга, а его отсутствие может приводить к истощению нервных клеток, перенапряжению мозга и всему букету сопутствующих такому перенапряжению эффектов: бессонницы и других нарушений сна. Кстати, в симптоматике многих психических расстройств, вроде шизофрении и посттравматических нарушений поведения, ключевое место занимают именно расстройства сна.

Способность отсыпаться и восстанавливаться после нарушений сна. Мы отсыпаемся после бессонной ночи и восстанавливаем способность мыслить благодаря рецепторам аденозина. А если их заблокировать, например, при помощи кофе, то ничего хорошего из этого не выйдет. Каждому довелось испытать на себе состояние, когда после нескольких ночей недосыпа начинаешь забывать все подряд, с трудом сосредотачиваешься и решаешь сложные задачи. Когда авральный режим кончается, нужно как следует отоспаться. Мозг берет свое, и время сна увеличивается -- это «синдром отдачи». Без этого нормальная умственная деятельность не восстановится. «Синдром отдачи» после лишения сна проявлялся не только в том, что периоды сна в цикле сон--бодрствование становились длиннее, но и в том, что на ЭЭГ усиливалась медленноволновая электрическая активность, состоящая из дельта-волн (1-4 Гц) по сравнению с уровнем обычного сна.

Ученые уже знали, что вещество аденозин играет ключевую роль в цикле сон--бодрствование. Уровень аденозина увеличивается в мозге с каждым часом активного бодрствования. Поэтому доктор Роберт Грин (Dr. Robert Greene), профессор психиатрии Техасского университета, и его коллеги работали с рецепторами аденозина на нейронах. Аденозиновые рецепторы на нейронах служат «портами» для молекул аденозина. Чтобы выяснить роль рецепторов, нейрофизиологи заблокировали ген рецепторов аденозина у мышей. И сравнили в эксперименте нокаутных мышей с контрольными.

Мышей из обеих групп ограничивали в сне на движущейся дорожке. Во время эпизодов сна нормальные мыши с работающим геном рецепторов аденозина испытывали все признаки «синдрома отдачи» -- медленноволновая активность усиливалась. А «нокаутные» по гену рецептора аденозина мыши спали как обычно – перенесенное лишение сна никак не сказывалось на структуре их ЭЭГ во время последующего сна.

Нейрофизиологи изучили также способность мышей к обучению в разных условиях. Они обучали их в восьмилучевом радиальном лабиринте. Это тест на пространственную память. Мышь помещают в центр лабиринта, в каждом из восьми лучей которого лежит приманка – кусочек шоколада. Задача животного – обойти все рукава лабиринта и съесть весь шоколад, не заходя повторно в один и тот же рукав, где приманка уже съедена. После двухнедельной тренировки и нормального сна все мыши -- и контрольные, и нокаутные справлялись с задачей в лабиринте практически без ошибок. Но когда их тестировали в лабиринте в период ограничения сна, между мышами наблюдалась разница. Нормальные мыши ориентировались в лабиринте лучше, а нокаутные совершали значительно больше ошибок, повторно заходя в одни и те же рукава. Ученые сравнивают состояние мышей в лабиринте в период ограничения сна с состоянием человека, которому трудно соображать после бессонной ночи.

Результаты эксперимента привели ученых к двум заключениям. Во-первых, именно аденозиновые рецепторы, которых были лишены нокаутные мыши, отвечают за усиление медленноволновой активности после лишения сна. Во-вторых, усиление медленноволновой активности необходимо для восстановления способности к обучению и памяти. И все это благодаря рецепторам аденозина. Важный вывод: восстанавливаться после недосыпа нам помогают аденозиновые рецепторы». «После «кофейного марафона» в мозге не увеличивается медленноволновая активность, поэтому человек не может заснуть глубоко, -- объясняет Роберт Грин (http://www.jneurosci.org/content/29/5/1267) .

Аденозин и синаптическая стабильность.

Бесконечное усиление. Вся наша нервная деятельность завязана на синапсы и нервные цепи, и память – не исключение: чтобы хорошо что-то запомнить, нужно, чтобы сформировались прочные межнейронные контакты. Однако если нейроны будут без конца усиливать свои синапсы, то это в конце концов приведёт к информационному беспорядку и истощению самих клеток, так что никакого обучения и запоминания не получится.

Отдых нейронов. Поэтому нервные клетки должны специально ослаблять силу межнейронных контактов, чтобы поддерживать равновесие между необходимостью помнить старое и усваивать новое. Известно, что во время бодрствования синапсы всё время усиливаются, так что сам собой напрашивается вывод, что их ослабление, спасающее нервную систему от перегрузки, происходит во сне. Действительно, исследователи из показали, как именно это происходит. Ричард Хагенир (Richard Huganir) и его коллеги проанализировали состояние нейронов в центрах памяти у мышей во время сна и во время бодрствования, причём особое внимание обращали на синаптические рецепторы нейронов-приемников. Оказалось, что у спящих мышей число рецепторов к нейромедиаторам уменьшалось на 20%.

Белок Гомер. Удалось найти и того, кто управляет «сонным» ослаблением синапсов – им оказался белок под названием Homer1a (стоит уточнить, что сам по себе Homer1a открыли ещё в 1997 году, но, как часто бывает с регуляторными белками, его функции до сих пор продолжают активно изучать). В межнейронных контактах у спящих мышей уровень Homer1a резко возрастал, а если его синтез у животных искусственно подавляли, то и никакого ослабления синапсов не происходило. Таким образом, Homer1a в нужный момент запускает ослабление синапсов, уменьшая количество рецепторов к нейромедиаторам – в результате у проснувшегося мозга будут ресурсы для восприятия нового. Но как сам белок угадывает, что индивидуум уснул и можно браться за работу?

Аденозин и Homer1a. Оказалось, что Homer1a реагирует на уровень норадреналина и аденозина. Норадреналин поддерживает организм в бодрствующем состоянии, и, когда его много, белок Homer1a уходит из зоны синапса, когда же уровень норадреналина падает, Homer1a в синапс возвращается. Причем Homer1a реагирует на возрастающую потребность во сне: когда мышей принудительно лишали сна на несколько дней, количество этого белка в синапсах увеличивалось, хотя мыши не спали. Причина здесь в аденозине, который постепенно накапливается во время бодрствования и вызывает сонливость – если у животных блокировали действие аденозина, уровень Homer1a в синапсах так и не повышался. Таким образом, если вы блокируете действие аденозина, то ухудшаете восстановление.