Начало сна — это переход от бодрствования ко сну. Начало сна обычно переходит в сон с небыстрым движением глаз (NREM-сон), но при определенных обстоятельствах (например, нарколепсия ) возможен переход от бодрствования непосредственно к быстрому сону (REM-сон).
В 1920-х годах неизвестное заболевание, вызывающее энцефалит и поражающее часть мозга, регулирующую сон, повлияло на Европу и Северную Америку. Хотя вирус, вызывающий это заболевание, так и не был идентифицирован, психиатр и невролог Константин фон Экономо решил изучить это заболевание и определил ключевой компонент в регуляции сна и бодрствования. Он определил пути, регулирующие бодрствование и начало сна, изучив части мозга, затронутые болезнью, и последствия, которые она имела для циркадного ритма . Он заявил, что пути, регулирующие начало сна, расположены между стволом мозга и базальным передним мозгом . Его открытия не были оценены по достоинству до последних двух десятилетий 20-го века, когда было обнаружено, что пути сна находятся именно в том месте, которое указал Константин фон Экономо. [1]
Электрофизиологические измерения сна можно проводить, прикрепляя электроды к коже головы для измерения электроэнцефалограммы (ЭЭГ) и к подбородку для контроля мышечной активности, регистрируемой как электромиограмма (ЭМГ). Электроды, прикрепляемые вокруг глаз, отслеживают движения глаз, регистрируемые как электроокулограмма (ЭОГ). [2]
Фон Экономо в своих исследованиях заметил, что повреждения в соединении между средним мозгом и промежуточным мозгом вызывают длительную сонливость, и поэтому предложил идею восходящей системы возбуждения. За последние несколько десятилетий были обнаружены основные восходящие пути с локализованными нейронами и соответствующими нейротрансмиттерами . Этот путь делится на две ветви: одна, которая поднимается к таламусу и активирует релейные нейроны таламуса, и другая, которая активирует нейроны в боковой части гипоталамуса и базальном переднем мозге , а также по всей коре головного мозга . Это относится к восходящей ретикулярной активирующей системе (ср. ретикулярная формация ). Группа клеток, участвующая в первом пути, представляет собой группу клеток, продуцирующих ацетилхолин, называемую педункулопонтийным и латеродорсальным тегментальным ядром . Эти нейроны играют решающую роль в передаче информации между таламусом и корой головного мозга. Эти нейроны имеют высокую активацию во время бодрствования и во время быстрого сна и низкую активацию во время медленного сна . Вторая ветвь берет начало от моноаминоргенных нейронов. Эти нейроны расположены в голубом пятне , дорсальном и срединном ядрах шва , вентральном околоводопроводном сером веществе и туберомаммиллярном ядре . Каждая группа вырабатывает свой нейротрансмиттер. Нейроны в голубом пятне вырабатывают норадреналин , а нейроны в дорсальном и срединном ядрах шва , вентральном околоводопроводном сером веществе и туберомаммиллярном ядре вырабатывают серотонин, дофамин и гистамин соответственно. Затем они проецируются на гипоталамические пептидергические нейроны, которые содержат концентрированные меланином гормоны или орексин , и базальные нейроны переднего мозга, которые содержат ГАМК и ацетилхолин . Затем эти нейроны проецируются на кору головного мозга . Также было обнаружено, что поражения этой части мозга вызывают длительный сон или могут вызвать кому. [1] [3] [4] [5]
Некоторый свет на механизмы наступления сна был пролит благодаря открытию того, что поражения в преоптической области и переднем гипоталамусе приводят к бессоннице , а поражения в заднем гипоталамусе — к сонливости. [6] [7] Дальнейшие исследования показали, что гипоталамическая область, называемая вентролатеральным преоптическим ядром, вырабатывает тормозной нейротрансмиттер ГАМК , который подавляет систему возбуждения во время наступления сна. [8]
Начало сна индуцируется нейронами, способствующими сну, расположенными в вентролатеральном преоптическом ядре (ВЛПО). Считается, что нейроны, способствующие сну, проецируют ГАМК типа А и галанин , два известных тормозных нейротрансмиттера, на нейроны, способствующие возбуждению, такие как гистаминергические, серотонинергические, орексинергические, норадренергические и холинергические нейроны (нейроны, упомянутые выше). Уровни ацетилхолина, норадреналина, серотонина и гистамина снижаются с началом сна, поскольку все они являются нейротрансмиттерами, способствующими бодрствованию. [2] Поэтому считается, что активация нейронов, способствующих сну, вызывает ингибирование нейронов, способствующих возбуждению, что приводит к сну. Доказательства показали, что во время цикла сон-бодрствование нейроны, способствующие сну, и нейроны, способствующие возбуждению, имеют взаимные разряды, и что во время NREM-сна рецепторы ГАМК увеличиваются в нейронах, способствующих возбуждению. Это привело некоторых к мысли, что увеличение рецепторов ГАМК в нейронах, способствующих возбуждению, является еще одним путем индукции сна. [1] [3] [4] [5]
Аденозин также известен как нуклеозидный нейромодулятор, способствующий сну. Астроциты сохраняют небольшой запас питательных веществ в форме гликогена. Во время повышенной мозговой активности, например, в дневное время, этот гликоген преобразуется в топливо для нейронов; таким образом, длительное бодрствование вызывает снижение уровня гликогена в мозге. Падение уровня гликогена вызывает повышение уровня внеклеточного аденозина, который оказывает ингибирующее действие на нейронную активность. Это накопление аденозина служит веществом, способствующим сну. [2]
Большинство нейронов сна расположены в вентролатеральной преоптической области (vlPOA). Эти нейроны сна молчат, пока человек не покажет переход от бодрствования ко сну. [9] Нейроны сна в преоптической области получают тормозные входы из некоторых из тех же областей, которые они тормозят, включая ядро бугорков, ядра шва и голубое пятно. [10] Таким образом, они тормозятся гистамином, серотонином и норадреналином. Это взаимное торможение может обеспечить основу для установления периодов сна и бодрствования. Взаимное торможение также характеризует электронную схему, известную как триггер. Триггер может принимать одно из двух состояний, обычно называемых включенным или выключенным. Таким образом, либо нейроны сна активны и тормозят нейроны бодрствования, либо нейроны бодрствования активны и тормозят нейроны сна. Поскольку эти области являются взаимно тормозящими, невозможно, чтобы нейроны в обоих наборах областей были активны одновременно. Этот триггер, быстро переключающийся из одного состояния в другое, может быть нестабильным. [11]
Цикл сна обычно определяется стадиями. Когда человек впервые начинает спать, наступает стадия 1, отмеченная наличием некоторой тета-активности, которая указывает на то, что срабатывание нейронов в неокортексе становится более синхронизированным, а также альфа-волновой активностью (плавная электрическая активность 8–12 Гц, регистрируемая мозгом, как правило, связанная с состоянием релаксации). Эта стадия является переходом между сном и бодрствованием. Эта стадия классифицируется как не-БДГ-сон. [2]