Сон представляет важнейший физиологический процесс, который имеет сложную структурную и молекулярную организацию, однако изучение процессов, происходящих в это время, имеет непродолжительную историю. Функциональное назначение многих из них остается на сегодняшний день не до конца понятным. Тот факт, что живой организм, пребывая в состоянии сна длительное время, ареактивен в отношении стимулов окружающей среды и потенциально уязвим, заставляет предполагать наличие весомых причин для сохранения этого физиологического процесса в ходе эволюции [1]. Существует несколько теорий, объясняющих необходимость сна для человека и других млекопитающих [2]. Теория сохранения энергии — с эволюционной точки зрения при недостатке источников питания те организмы, которые были способны циклически переходить в состояние низкого расхода энергии, имели преимущество. Восстановительная теория — во время сна активно протекают восстановительные и регенеративные процессы. Теория обработки информации — сон способствует процессам обучения за счет консолидации памяти, в том числе благодаря уменьшению количества избыточных синаптических связей. Каждая из существующих теорий имеет свои сильные и слабые стороны благодаря многочисленным исследованиям, проведенным in vivo и in vitro, в настоящий момент сформулирована концепция структурной организации и молекулярных механизмов сна.

Организация сна

Понимание организации процесса чередования сна и бодрствования в настоящее время претерпело изменения. Так, доминирующая ранее теория о нисходящих системах контроля наступления сна утрачивает свою актуальность. Многочисленные исследования показали, что повреждение структур головного мозга, считающихся ответственными за наступление сна и бодрствования, не приводит к полному отсутствию сна. J. Krueger и соавт. [3] предлагают восходящую теорию возникновения сна, согласно которой сон является свойством многих локальных нейронных сетей и не сводится к функционированию определенных нервных центров. Таким образом, небольшие, но тесно связанные сети нейронов и глии, например столбцы неокортекса, являются полуавтономными структурными единицами, которые по своему функциональному состоянию колеблются между состоянием, подобным сну, и состоянием, подобным бодрствованию. Такие колебания также называют осцилляциями. Состояния ввиду тесной связи между единицами могут распространяться посредством синхронизации. Соответственно сон рассматривается как процесс, который может инициироваться в локальных нейронных сетях, а дальнейшая их синхронизация приводит к возникновению сна у всего организма. Известно, что колонки неокортекса поддерживают состояние гомеостаза, так что чем дольше отдельный столбец находится в состоянии, подобном бодрствованию, тем выше вероятность того, что он перейдет в состояние, подобное сну, и наоборот [4]. Осцилляции состояний колонок неокортекса были доказаны экспериментально с помощью регистрации вызванных потенциалов. Амплитуда соматосенсорных и слуховых вызванных потенциалов, зарегистрированных во время сна, была выше, чем во время бодрствования [4]. Осцилляции обеспечиваются работой ряда механизмов. Высвобождение таких связанных с клеточной активностью молекул, как АТФ и оксид азота, во внеклеточное пространство инициирует изменение состояния локальных сетей. АТФ катаболизируется до аденозина, который, связываясь с пуриновым рецептором типа 1, вызывает гиперполяризацию мембраны нейронов. Такие клетки находятся в состоянии покоя с низким потреблением энергии, что дает возможность для ее восстановления [3]. Активация аденозином пуринового рецептора 2 типа P2X7 высвобождает цитокины и нейротрофины из глии и нейронов, которые влияют на миграцию пуриновых рецепторов типа 1, ГАМК и глутаматных рецепторов, участвующих в регуляции сна [3, 4]. Такая организация демонстрирует, что основные регуляторные процессы сна начинаются на клеточном уровне, а значит и понимание его функций кроется в установлении молекулярных механизмов этого состояния.

Сон и клеточный энергетический обмен

Одной из предполагаемых функций сна является восполнение запасов энергии, истощенных во время бодрствования. J. Benington и H. Heller [5] одними из первых сформулировали гипотезу о роли аденозина и гликогена в энергетической теории сна. В частности, ими было отмечено, что во время бодрствования в астроцитах увеличивается количество аденозина и уменьшается количество гликогена, что отражает повышенную потребность в энергии. Они предположили, что истощение гликогена во время бодрствования приводит к увеличению содержания внеклеточного аденозина, который способствует наступлению сна. Это открытие дало толчок для проведения многочисленных исследований, и в настоящее время роль аденозина и гликогена в регуляции сна не вызывает сомнений.

Аденозин

Внеклеточный аденозин является продуктом распада АТФ. Высвобождение АТФ и глутамата из активированных астроцитов называется «глиотрансмиссия» и происходит пропорционально нарастанию потребности во сне [6]. Далее с помощью 5’-эктонуклеотидаз (5’-EN), которые высвобождаются вместе с глутаматом, АТФ расщепляется с образованием аденозина. Внутри- и внеклеточные концентрации аденозина контролируются сложными регуляторными процессами, которые зависят от метаболического состояния как нейронов, так и астроцитов [7].

Показано, что содержание аденозина во внеклеточном пространстве увеличивается в ходе длительного бодрствования, поэтому было высказано предположение, что он выступает в качестве гомеостатического регулятора потребности во сне [5]. Существуют 4 подкласса аденозиновых рецепторов (A1, A2A, A2B и A3), однако считается, что аденозин способствует регуляции сна и бодрствования путем связывания с высокоаффинными рецепторами A1 и A2A [8]. Показано, что стимуляция рецепторов A1 и A2A специфическими агонистами увеличивает медленноволновую активность на электроэнцефалограмме (ЭЭГ) (~1—4 Гц) в фазе медленного сна [5]. Известно, что увеличение представленности медленноволной активности на ЭЭГ происходит медленно в течение бодрствования, и почти такой же медленный процесс снижения ее представленности происходит в течение периода сна [9]. Таким образом, исходя из теории о центральной роли аденозина в гомеостатической регуляции сна, можно предположить, что его концентрация должна иметь кинетику, коррелирующую с ежедневными изменениями ЭЭГ в медленноволновом диапазоне, однако экспериментальных подтверждений получено не было [7]. Было показано, что изменения концентрации аденозина в ответ на депривацию сна происходят быстро, в течение минут [10]. Наблюдаемая кинетика концентрации аденозина позволяет предполагать, что внеклеточный аденозин вряд ли ответствен за суточные изменения сна и бодрствования, наблюдаемые в неизмененных исходных условиях. Тем не менее он, возможно, играет важную роль при условиях, когда продолжительность бодрствования превышает обычную дневную продолжительность [7]. Было показано, что при депривации сна повышается уровень аденозина в супрахиазматическом ядре гипоталамуса, что приводит к снижению чувствительности к свету. Таким образом, возможно, аденозин является частью системы, посредством которой гомеостатические механизмы сна влияют на работу циркадных часов [11]. В настоящее время считается, что аденозин не является основным регулятором, а скорее, одним из многих факторов, способствующих наступлению сна при продолжительном бодрствовании [5].

Гликоген

Основная часть гликогена синтезируется и хранится в печени, также относительно небольшое его количество синтезируется и хранится в астроцитах головного мозга. Синтез цепей гликогена из молекул глюкозы катализируется гликогенсинтазой, а высвобождение глюкозо-1-фосфата из гликогена катализируется гликогенфосфорилазой. Активность обоих этих ферментов зависит от их фосфорилирования. Гликогенфосфорилаза активируется при фосфорилировании, а гликогенсинтаза — при дефосфорилировании. Следовательно, дефосфорилирование этих двух ферментов способствует синтезу гликогена, а фосфорилирование — высвобождению глюкозы. И гликогенфосфорилаза, и гликогенсинтаза дефосфорилируются одним и тем же ферментом — протеинфосфатазой 1. В головном мозге с помощью вспомогательной «строительной» молекулы PTG образуются комплексы, в которых все три этих фермента располагаются в непосредственной близости от гликогена [12].

J. Benington и H. Heller предположили, что запасы гликогена в мозге истощаются во время бодрствования и восстанавливаются во время сна. Благодаря многочисленным последующим исследованиям эти результаты были частично подтверждены. Исследования на животных показали, что изменения содержания гликогена в головном мозге во время бодрствования, вероятно, связаны с нейрональной активностью [13]. Для определения уровня гликогена в условиях in vitro исследователи воздействовали на клеточные культуры возбуждающими нейротрансмиттерами (вазоинтестинальный пептид, норадреналин), тем самым имитируя депривацию сна [14]. Исследования на разных клеточных культурах показали, что при постоянном воздействии нейротрансмиттеров возникает трехфазная динамическая реакция: начальная деградация гликогена, последующий синтез до уровня, превышающего начальный, за которым снова следует истощение его запасов [6]. Предполагается, что при пробуждении происходит резкая активация нейронов, что требует немедленного высвобождения АТФ посредством деградации гликогена. Это говорит о том, что раннее истощение запасов гликогена, вероятно, является частью механизма пробуждения [6]. Дальнейшее восполнение уровня гликогена, вероятно, опосредовано увеличением активности PTG, которое усиливает функцию гликогенсинтазы [15]. Синтез гликогена во время бодрствования будет приводить к деградации АТФ и увеличению уровня аденозина, который в свою очередь будет способствовать наступлению сна [5]. Однако именно восполнение запасов гликогена, происходящее по мере продления бодрствования, а не его истощение, по всей видимости, является частью механизма, способствующего наступлению сна [5].

В настоящее время известно, что регуляция клеточного энергетического обмена в головном мозге более сложна и включает множество других медиаторов, в том числе несвернутые белки, компоненты цепи переноса электронов, антиоксидантные ферменты, разобщающие белки и др. Считается, что перечисленные медиаторы в дополнение к гликогену и аденозину участвуют в переходе мозга из метаболически истощенного катаболического состояния бодрствования в метаболически насыщенное анаболическое состояние сна [6]. В целом представленные данные подтверждают фундаментальный принцип, согласно которому длительное бодрствование представляет собой энергетическую проблему для мозга. Поэтому представляется вероятным, что сон является стадией синтеза, необходимой для ответа на «агрессию» бодрствования [5].

Сон и процессы фолдинга белков

Под фолдингом белков понимают процесс сворачивания полипептидной цепи в уникальную пространственную структуру (так называемую третичную структуру). Для обеспечения фолдинга используется группа вспомогательных белков — шаперонов. Фолдинг происходит в эндоплазматическом ретикулуме (ЭР). Когда клетки испытывают энергетическую нагрузку, в ЭР может развиваться стресс с последующим неправильным сворачиванием белка [16]. Одним из защитных механизмов клеток в ответ на накопление неправильно свернутых белков является так называемая реакция несвернутых белков (РНБ). РНБ направлена на уменьшение энергозатратной трансляции белка, увеличение деградации неправильно свернутых белков и увеличение экспрессии специфических шаперонов. Если эти цели не достигаются в течение определенного промежутка времени, РНБ инициирует апоптоз. РНБ запускается и выполняется посредством основного регулятора (BiP) и трех передатчиков (PERK, IRE1 и ATF6) (рис. 1). BiP является шапероном, специфичным для ЭР, образуется путем диссоциации комплексов, в которых он связан с ATF6, PERK и IRE1. Далее BiP связывается с неправильно свернутыми белками. PERK аутофосфорилируется, а затем фосфорилирует eIF2α, что приводит к снижению трансляции белка. ATF6 инициирует транскрипцию BiP, которая транслируется независимо от eIF2α [17].

Рис. 1. РНБ.

1 — ЭР увеличивает количество несвернутых белков; 2 — РНБ индуцирует диссоциацию комплексов, в которых BiP связан с ATF6, PERK и IRE1. Пояснения в тексте.

Показано, что при депривации сна повышается образование мРНК BiP в коре головного мозга крыс [18], коре и гипоталамусе мышей [19] и в мозге птиц [20]. Эти наблюдения демонстрируют активацию РНБ в ответ на депривацию сна, в то время как активация РНБ — один из механизмов защиты от стресса, возникающего при длительном бодрствовании, окончательной защитой является непосредственно сон. Депривация сна приводит к увеличению продолжительности последующего сна у грызунов и мух, т.е. к восстановительному сну [21]. РНБ сама по себе играет роль в определении продолжительности восстановительного сна. У мух с гиперэкспрессией BiP не наблюдается изменений исходного отношения сон/бодрствование, но наблюдается повышенное количество восстановительного сна после 6 ч депривации сна по сравнению с контрольными мухами дикого типа. У мух со сниженной активностью BiP продолжительность восстановительного сна после депривации снижена [19]. Эти результаты могут означать, что увеличение количества BiP само по себе может способствовать сну, хотя более вероятным является влияние BiP на РНБ. Гиперэкспрессия BiP приводит к задержке РНБ, поскольку происходит задержка высвобождения PERK [22]. Таким образом, если РНБ задерживается, продолжительность восстановительного сна увеличивается. Обратное происходит при потере функции BiP, т.е. более ранней активации РНБ и меньшем последующем восстановительном сне. Механизм, с помощью которого РНБ активируется при депривации сна, неизвестен, но некоторые авторы полагают, что реакция РНБ активируется истощением клеточной энергии, возникающим при длительном бодрствовании [21].

Теория синаптического гомеостаза

С энергетическими расстройствами, которые влечет за собой длительное бодрствование, связаны проблемы информационного характера, заключающиеся в том, что это функциональное состояние сопровождается непрерывным усвоением нового опыта, приводящего к усилению синаптической активности и синаптогенеза. Нарастание синаптической активности в течение дня влечет за собой снижение способности нервной системы отделять сигнал от шума или главные стимулы от второстепенных, что делает ее работу в конечном итоге неэффективной. Кроме того, увеличение количества и размера синапсов сопровождается увеличением потребления энергии и пластических биохимических субстратов. Если бы такой процесс происходил непрерывно, то в конечном счете адаптивная способность нервной системы неуклонно бы снижалась. Согласно теории синаптического гомеостаза G. Tononi и C. Cirelli [23], прекращение афферентного потока в состоянии сна необходимо для избирательного ослабления части синаптических связей и восстановления работоспособности нервной системы (рис. 2).

Рис. 2. Ослабление синапсов во время сна.

В состоянии сна площадь контакта между терминалью аксона и дендритным шипиком уменьшается, как и количество рецепторов к нейротрансмиттеру на постсинаптической мембране. (Адапт. по [24]).

Данная гипотеза получила ряд подтверждений. L. De Vivo и соавт. [25] с помощью трехмерной электронной микроскопии показали, что площадь синаптической щели уменьшается примерно на 18% после сна в сравнении с состоянием бодрствования (как добровольного, так и вынужденного), а также уменьшается объем головки дендритного шипика. Изменения размера самих дендритов зафиксировано не было, это указывает на то, что наблюдаемое уменьшение синапсов не может быть объяснено общим уменьшением клеточного объема. Уменьшение происходит пропорционально исходному размеру синаптической щели: в англоязычной литературе для этого процесса используется термин «масштабирование» («scaling»). Уменьшению подвергается большинство синапсов, но не все: вероятность этого процесса тем меньше, чем больше исходный размер синапса. Таким образом, исходно крупные синапсы сохраняются, при этом проводимость синапса напрямую зависит от его размера, поэтому полученные данные указывают на глобальное снижение синаптической проводимости, причем избирательно в отношении более слабых связей.

G. Diering и соавт. [26] также получили экспериментальное подтверждение теории синаптического гомеостаза. В опытах на грызунах было продемонстрировано, что во время сна наблюдается массовое удаление и дефосфорилирование синаптических глутаматных AMPA-рецепторов. Выявленные изменения обусловлены уменьшением количества белков GRIA1 и GRIA2, представляющих субъединицы данного рецептора. Снижение плотности глутаматных AMPA-рецепторов влечет ослабление синапсов и снижение синаптической проводимости. Ключевая роль в этом процессе принадлежит белку Homer1a, который во время сна появляется в дендритных шипиках и разрушает связи между рядом белков, что в результате влечет уменьшение плотности AMPA-рецепторов. В свою очередь циркадианная цикличность появления Homer1a в синапсах тормозится норадреналином, уровень которого повышен во время бодрствования, и облегчается аденозином, уровень которого нарастает по мере увеличения времени бодрствования.

Таким образом, гипотеза синаптического гомеостаза объясняет потребность во сне «платой за нейропластичность», по сведениям одного из авторов теории, и невозможностью непрерывной обработки входящей информации без перерыва на фазу избавления от накопившихся лишних синаптических структур.

Глимфатическая система

Глимфатическая система головного мозга высвечивает важную роль в регуляции сна в процессе удаления метаболитов из ткани головного мозга. Впервые существование этой системы было выявлено в экспериментах на мышах группой ученых медицинского центра Рочестерского университета [27]. Название «глимфатическая» было дано той же исследовательской группой несколько позже [28] из-за ключевой роли клеток глии в данном процессе и функционального сходства с ролью лимфатической системы для других тканей организма.

Известно, что одной из функций лимфатической системы является дренажная — удаление из интерстиция продуктов обмена и избытка воды. В ЦНС лимфатические капилляры отсутствуют, и дренажную функцию выполняет цереброспинальная жидкость (ЦСЖ), однако долгое время оставалось неясным, как удаляются подлежащие выведению продукты из интерстиция. С помощью двухфотонной микроскопии J. Iliff и соавт. [28] обнаружили периваскулярный путь оттока ЦСЖ из мозговой паренхимы, с помощью которого также выводятся различные продукты обмена и подлежащие выведению белковые молекулы, в том числе такая нерастворимая молекула, как бета-амилоид. Периваскулярные пространства локализуются вдоль пенетрирующих артерий и ограничены изнутри артериальной стенкой, а снаружи астроцитарными отростками [29].

Основными структурными компонентами глимфатической системы являются периваскулярные пространства (пространства Вирхова—Робена), пространства между базальной мембраной, перицитами, ножками астроцитов, астроцитарные рецепторы к аквапорину-4, интерстициальное пространство головного мозга, система циркуляции ЦСЖ [27, 29, 30].

Выделяют 3 этапа глимфатического клиренса [27]: ток ЦСЖ из субарахноидальных пространств в паренхиму мозга по периартериальным каналам; опосредованный аквапорином-4 ток воды из периартериального в перивенозное пространство (транспаренхимальная конвекция); отток жидкости, переносящей гидрофильные и липофильные молекулы, по перивенозным пространствам в субарахноидальное пространство. Таким образом, ЦСЖ поступает в паренхиму мозга по периартериальным пространствам, затем смешивается с интерстициальной жидкостью и растворенными в ней продуктами обмена, а затем через перивенозные пространства перемещается обратно в пространства, содержащие ЦСЖ. Движение жидкости при этом осуществляется через каналы аквапорина-4, расположенные на ножках астроцитов, окружающих сосудистую сеть паренхимы головного мозга [31]. Движущей силой этого процесса является в основном артериальная пульсация, как было показано in vivo J. Iliff и соавт. [32] методом двухфотонной микроскопии. При этом во время медленноволнового сна происходит увеличение объема интерстициального пространства на 60% [33], что делает работу глимфатической системы в состоянии сна гораздо более эффективной. Таким образом, восстановительные эффекты сна могут быть также объяснены с точки зрения повышенного глимфатического клиренса продуктов обмена во время сна.

Заключение

Биохимические процессы, происходящие исключительно во время сна, создают энергетические и нейрофизиологические предпосылки для последующего эффективного бодрствования. Уникальность состояния сна с точки зрения восстановительных эффектов в отношении ЦНС позволяет говорить о нем как важнейшем физиологическом процессе. В условиях современного ритма жизни ночной сон зачастую бывает нарушен из-за высокого уровня стресса и стиля жизни, заставляющего жертвовать сном ради выполнения различных социальных задач. Прием снотворных препаратов является эффективным средством устранения расстройств сна, однако сопряжен с аддиктивным потенциалом и зачастую сопровождается неприемлемыми для пациента побочными эффектами. В отсутствие серьезной патологии, лежащей в основе нарушения ночного сна, и при легкой выраженности этих нарушений выбор может быть сделан в пользу растительных средств, обладающих седативным эффектом, например комплекса VITime Aquastick Antistress (ООО «ВТФ», Россия), содержащего экстракты пассифлоры, валерианы, мелиссы, мяты.

Сложная регуляция процесса сна сопряжена с вовлечением большого количества нейромедиаторов и ферментов, поэтому важно адекватное поступление незаменимых аминокислот с пищей. Содержащийся в комплексе VITime Aquastick Antistress 5-гидрокситриптофан является предшественником серотонина и мелатонина и во многих странах применяется в качестве биологически активной добавки с целью улучшения качества ночного сна.

Метаболическим эффектом, обеспечивающим благотворное воздействие на состояние памяти, обладает другой продукт — VITime Aquastick Memory (ООО «ВТФ», Россия). В состав комплекса входят участвующие в обменных процессах в ключевых отделах ЦНС ацетил-L-карнитин, холин, глицин. В многочисленных клинических исследованиях доказан эффект на различные модальности памяти другого компонента — экстракта гингко билоба. Антиастеническим действием обладают такие составляющие этого комплекса, как витамины группы B и экстракт родиолы розовой.

В соответствии с метаболической концепцией назначения сна продолжается поиск и других продуктов, позволяющих влиять на это состояние посредством воздействия на внутриклеточные процессы в структурах центральной нервной системы.

Статья подготовлена при поддержке ООО «ВТФ», Россия.

The article was prepared with the support of VTF LLC, Russia.