Медленно-волновой сон ( SWS ), часто называемый глубоким сном , состоит из третьей стадии сна с медленным движением глаз . [2] Обычно оно длится от 70 до 90 минут и происходит в первые часы ночи. [3] Первоначально SWS состоял из Стадии 3, на которой активность дельта-волн составляет 20–50 процентов , и Стадии 4, на которой активность дельта-волн превышает 50 процентов. [4] : 291
Этот период сна называется медленноволновым сном, поскольку активность ЭЭГ синхронизирована, характеризуется медленными волнами с диапазоном частот 0,5–4,5 Гц , относительно высокой амплитудной мощностью с размахом амплитуды более 75 мкВ. Первая часть волны означает «состояние упадка», фазу торможения или гиперполяризации, в которой нейроны неокортекса молчат . Это период, когда нейроны неокортекса могут отдохнуть. Вторая часть волны означает «активное состояние», фазу возбуждения или деполяризации, в которой нейроны кратковременно срабатывают с высокой скоростью. Основными характеристиками медленноволнового сна, которые контрастируют с быстрым сном, являются умеренный мышечный тонус , медленные или отсутствующие движения глаз и отсутствие половой активности. [4] : 291, 293
Медленноволновой сон считается важным для консолидации памяти . [5] Иногда это называют «обработкой памяти в режиме сна». [6] Нарушение консолидации памяти наблюдалось у людей с первичной бессонницей, которые, таким образом, не справлялись с задачами по запоминанию после периода сна так же хорошо, как здоровые люди. [7] [8] Кроме того, медленноволновой сон улучшает декларативную память (которая включает в себя семантическую и эпизодическую память). Была выдвинута гипотеза о том, что сохранение долговременной памяти осуществляется за счет взаимодействия между гиппокампом и неокортикальными сетями. [7] В нескольких исследованиях, после того как испытуемые прошли обучение по освоению задачи на декларативную память, плотность присутствующих человеческих веретен сна была значительно выше, чем сигналы, наблюдаемые во время контрольных задач, которые включали аналогичную визуальную стимуляцию и когнитивно-требовательные задачи, но не требовал обучения. [9] [10] Это связано со спонтанно возникающими волновыми колебаниями, которые отвечают за внутриклеточные записи от таламических и корковых нейронов. [11]
В частности, SWS играет роль в пространственной декларативной памяти . Реактивация гиппокампа во время SWS обнаруживается после выполнения задачи пространственного обучения. [12] Кроме того, можно наблюдать корреляцию между амплитудой активности гиппокампа во время SWS и улучшением показателей пространственной памяти , например, поиска маршрута, на следующий день. [13]
Эксперимент по реактивации памяти во время SWS был проведен с использованием запаха в качестве сигнала, учитывая, что он не мешает текущему сну, по сравнению с предыдущим учебным заданием и сеансами сна. Область гиппокампа активировалась в ответ на повторное воздействие запаха во время SWS. Эта стадия сна играет исключительную роль контекстного сигнала, который реактивирует воспоминания и способствует их консолидации. [12] Дальнейшее исследование показало, что когда испытуемые слышали звуки, связанные с ранее показанными картинками-локациями, реактивация отдельных представлений памяти была значительно выше во время SWS (по сравнению с другими стадиями сна). [14]
Аффективные представления обычно лучше запоминаются во время сна, чем нейтральные. Эмоции с негативной значимостью, представленные в качестве сигнала во время SWS, демонстрируют лучшую реактивацию и, следовательно, усиленную консолидацию по сравнению с нейтральными воспоминаниями. Первое было предсказано с помощью веретена сна над SWS, которое различает процессы памяти во время сна, а также способствует консолидации эмоциональной памяти. [14]
Ацетилхолин играет важную роль в консолидации памяти, зависящей от гиппокампа. Известно, что повышенный уровень холинергической активности во время SWS нарушает обработку памяти. Учитывая, что ацетилхолин является нейромедиатором , модулирующим направление потока информации между гиппокампом и неокортексом во время сна, его подавление необходимо во время СВС для консолидации декларативной памяти, связанной со сном. [15]
Исследования депривации сна на людях показывают, что основной функцией медленноволнового сна может быть предоставление мозгу возможности восстановиться после повседневной деятельности. Метаболизм глюкозы в мозге увеличивается в результате выполнения задач, требующих умственной активности. [4] Другая функция, на которую влияет медленный сон, — это секреция гормона роста , которая всегда максимальна на этой стадии. [16] Также считается, что он ответственен за снижение симпатической и увеличение парасимпатической нейронной активности. [16]
До 2007 года Американская академия медицины сна (AASM) разделяла медленный сон на стадии 3 и 4. [17] [18] [19] Эти две стадии теперь объединены как «Третья стадия» или N3. Эпоха (30 секунд сна), которая на 20% или более состоит из медленноволнового (дельта) сна, теперь считается третьей стадией. [ нужны разъяснения ]
В электроэнцефалограмме (ЭЭГ) преобладают большие дельта-волны частотой 75 микровольт (0,5–2,0 Гц) . Стадия N3 определяется наличием 20% дельта-волн в любой 30-секундный период ЭЭГ во время сна в соответствии с действующими рекомендациями AASM 2007 года. [19] [20]
Более длительные периоды СВС наблюдаются в первой половине ночи, преимущественно в первых двух циклах сна (примерно три часа). У детей и молодых людей общее количество SWS за ночь будет больше, чем у пожилых людей. Пожилые люди могут вообще не входить в SWS в течение многих ночей сна. [ нужна цитата ]
Медленный сон, наблюдаемый на электроэнцефалограмме (ЭЭГ), отличается некоторыми характерными особенностями. Веретена сна , отмеченные веретенообразными изменениями амплитуды колебаний 12–14 Гц, К-комплексы длительностью не менее 0,5 секунды, состоящие из отчетливой отрицательной острой волны, за которой следует положительная составляющая, и медленных волн или дельта-волн, характеризующихся медленной частотой. (< 2 Гц) и высокая амплитуда (> 75 мкВ) являются ключевыми показателями. [21] Наличие и распределение активности веретена сна и медленных волн варьируются в зависимости от медленного сна, что приводит к его подразделению на стадии 1–4. В то время как медленные волны и веретена сна присутствуют на стадиях 2, 3 и 4, стадия 2 сна характеризуется более высокой распространенностью веретен, в то время как медленные волны доминируют на ЭЭГ на стадиях 3 и 4. [22] [23]
Медленноволновой сон — активное явление, вероятно, обусловленное активацией серотонинергических нейронов шовной системы . [24]
Медленные волны, наблюдаемые на кортикальной ЭЭГ, генерируются посредством рекуррентных связей внутри коры головного мозга, где кортикальные пирамидные клетки возбуждают друг друга в петле положительной обратной связи. Это рекуррентное возбуждение уравновешивается торможением, в результате чего возникает активное состояние медленных колебаний медленноволнового сна. Неисправность этого механизма приводит к прекращению активности на короткий период времени. Повторение активного и молчаливого периодов происходит с частотой 0,5–4 Гц, вызывая появление медленных волн ЭЭГ, наблюдаемых во время медленноволнового сна. [25]
Медленноволновой сон необходим для выживания. Некоторые животные, такие как дельфины и птицы, обладают способностью спать только одним полушарием мозга, оставляя другое полушарие бодрствующим, чтобы выполнять нормальные функции и сохранять бдительность. Этот вид сна называется однополушарным медленноволновым сном и также частично наблюдается у людей. Действительно, в исследовании сообщалось об односторонней активации соматосенсорной коры, когда на руку человека помещался вибрирующий стимул. Записи показывают важные межполушарные изменения в течение первого часа медленного сна и, следовательно, наличие локального и зависящего от использования аспекта сна. [26] Другой эксперимент обнаружил большее количество дельта-волн в лобных и центральных областях правого полушария. [27]
Учитывая, что SWS — единственная стадия сна, которая сообщает о глубоком сне человека, а также используется в исследованиях на млекопитающих и птицах, она также используется в экспериментах, выявляющих роль асимметрии полушарий во время сна. Преобладание левого полушария в нейронной активности можно наблюдать в сети дефолтного режима во время SWS. Эта асимметрия коррелирует с латентностью начала сна , которая является чувствительным параметром так называемого эффекта первой ночи — снижения качества сна во время первого сеанса в лаборатории. [28]
Показано, что левое полушарие более чувствительно к девиантным стимулам в первую ночь по сравнению с последующими ночами эксперимента. Эта асимметрия объясняет снижение сна половины мозга во время SWS. Действительно, по сравнению с правым, левое полушарие играет бдительную роль при СВС. [28]
Кроме того, во время СВС первой ночи в левом полушарии обнаруживается более быстрая поведенческая реактивность. Быстрое пробуждение коррелирует с региональной асимметрией в деятельности SWS. Эти данные показывают, что асимметрия полушарий при SWS играет роль защитного механизма. Поэтому СВС чувствителен к опасности и незнакомой обстановке, создавая потребность в бдительности и реактивности во время сна. [28]
Несколько нейромедиаторов участвуют в режиме сна и бодрствования: ацетилхолин, норадреналин, серотонин , гистамин и орексин . [4] : 305–307 Неокортикальные нейроны активируются спонтанно во время медленноволнового сна, поэтому они, по-видимому, играют определенную роль в этот период сна. Кроме того, эти нейроны, по-видимому, ведут своего рода внутренний диалог, что объясняет умственную деятельность в этом состоянии, когда нет информации от внешних сигналов (из-за синаптического торможения на таламическом уровне). Скорость вспоминания снов в этом состоянии сна относительно высока по сравнению с другими уровнями цикла сна. Это свидетельствует о том, что мыслительная деятельность ближе к реальным жизненным событиям. [11]
Медленноволновой сон — это конструктивная фаза сна для восстановления системы разум-тело, в которой она перестраивается после каждого дня. Вещества, попавшие в организм во время бодрствования организма, синтезируются в сложные белки живой ткани. На этом этапе также выделяется гормон роста, что заставляет некоторых ученых предположить, что функция медленноволнового сна заключается в содействии заживлению мышц, а также восстановлении повреждений тканей. [29] [30] Наконец, глиальные клетки мозга восстанавливаются с помощью сахаров, обеспечивая мозг энергией. [31]
Формирование обучения и памяти происходит во время бодрствования посредством процесса долговременной потенциации ; SWS связан с потенцируемой таким образом регуляцией синапсов. Было обнаружено, что SWS участвует в уменьшении количества синапсов, при котором сильно стимулированные или потенциированные синапсы сохраняются, в то время как слабо потенцированные синапсы либо уменьшаются, либо удаляются. [32] Это может быть полезно для перекалибровки синапсов для следующей потенциации во время бодрствования и для поддержания синаптической пластичности . Примечательно, что новые данные показывают, что реактивация и изменение масштаба могут происходить одновременно во время сна. [33]
Ночное недержание мочи , ночные кошмары и лунатизм — все это распространенные проявления поведения, которые могут возникнуть на третьей стадии сна. Чаще всего они возникают у детей, которые затем обычно их перерастают. [4] : 297–8 Другая проблема, которая может возникнуть, — это расстройство пищевого поведения, связанное со сном. Человек будет ходить во сне, покидая свою постель посреди ночи в поисках еды, и будет есть, не помня об этом событии утром. [4] Более половины людей с этим расстройством имеют избыточный вес. [4] : 298 Расстройства пищевого поведения, связанные со сном, обычно можно лечить с помощью дофаминергических агонистов или топирамата, который является противосудорожным препаратом . Такое ночное питание всей семьей предполагает, что наследственность может быть потенциальной причиной этого расстройства. [4]
Дж. Хорн (1978) проанализировал несколько экспериментов на людях и пришел к выводу, что лишение сна не влияет на физиологическую реакцию людей на стресс или на способность выполнять физические упражнения. Однако это оказало влияние на когнитивные функции. Некоторые люди сообщали об искаженном восприятии или галлюцинациях и отсутствии концентрации на умственных задачах. Таким образом, основная роль сна заключается не в отдыхе тела, а в отдыхе мозга.
Когда лишенные сна люди снова спят нормально, процент восстановления для каждой стадии сна не одинаков. Восстанавливается только семь процентов первой и второй стадий, но восстанавливаются 68 процентов медленного сна четвертой стадии и 53 процента быстрого сна. Это говорит о том, что сон четвертой стадии (известный сегодня как самая глубокая часть сна третьей стадии) более важен, чем другие стадии.
Во время медленноволнового сна происходит значительное снижение скорости мозгового метаболизма и мозгового кровотока . Активность падает примерно до 75 процентов от нормального уровня бодрствования. Области мозга, которые наиболее активны во время бодрствования, имеют самый высокий уровень дельта-волн во время медленного сна. Это указывает на то, что отдых географичен. «Отключение» мозга является причиной сонливости и растерянности, если кто-то просыпается во время глубокого сна, поскольку коре головного мозга требуется время, чтобы возобновить свои нормальные функции.
По мнению Дж. Сигела (2005), лишение сна приводит к накоплению свободных радикалов и супероксидов в мозге. Свободные радикалы — это окислители, имеющие один неспаренный электрон, что делает их очень реакционноспособными. Эти свободные радикалы взаимодействуют с электронами биомолекул и повреждают клетки. Во время медленноволнового сна снижение скорости метаболизма снижает образование побочных продуктов кислорода, тем самым позволяя существующим радикальным видам очиститься. Это средство предотвращения повреждения головного мозга. [34]
Результаты ряда исследований показали, как сон влияет на динамику Aβ. [35] Хорошим кандидатом на медленную волновую активность (SWA), которая возникает во время глубокого медленного сна, является модуляция амилоида b. Исследователи также подчеркнули тесную связь между амилоидом-b и SWA, отметив, что усиление нарушений в SWA коррелирует с повышенным уровнем амилоида-b. [36] Следовательно, медленные волны сна с медленными движениями глаз, или NREM-сон, нарушаются или уменьшаются, когда бета-амилоид (Aβ) накапливается в префронтальной коре. В результате это может ухудшить способность пожилых людей к консолидации памяти . [37]
Более того, начало болезни Альцгеймера (БА) отмечается отложением бета-амилоида (Аβ) в головном мозге. [38] БА отличается наличием бляшек бета-амилоида и нейрофибриллярных клубков . Эти структурные аномалии связаны с нарушениями цикла сна-бодрствования, особенно при медленном движении глаз (NREM) и медленноволновом сне (SWS). [39] Таким образом, люди с диагнозом болезни Альцгеймера часто испытывают нарушения сна, что приводит к снижению уровня медленного движения глаз (NREM) сна и снижению медленноволновой активности (SWA), которая является выраженным мозговым ритмом во время NREM-сна. [40] Аналогичным образом, даже у когнитивно здоровых людей с обнаруживаемым бета-амилоидом наблюдаются нарушения сна , характеризующиеся ухудшением качества сна и увеличением частоты дневного сна. [41]
Хотя СВС достаточно постоянен у каждого человека, он может варьироваться у разных людей. [42] В некоторой степени на индивидуальные различия, по-видимому, влияют демографические факторы, такие как пол и возраст. [43] Возраст и пол считаются двумя наиболее важными факторами, влияющими на этот период сна. [44]
Медленный сон (SWS) и медленноволновая активность (SWA) претерпевают значительные изменения на протяжении всей жизни, причем старение является особенно влиятельным фактором в прогнозировании индивидуальных изменений. [45] [46] Старение обратно пропорционально количеству SWS, начиная с среднего возраста, поэтому SWS снижается с возрастом. [47] Более того, недавние результаты показывают, что пожилые люди демонстрируют меньшую склонность к дневному сну по сравнению с более молодыми сверстниками, и это снижение сохраняется даже с учетом различий в привычной продолжительности сна. Это возрастное снижение склонности к дневному сну очевидно у людей среднего возраста и совпадает со статистически значимым сокращением общего времени сна, медленноволнового сна (SWS) и медленноволновой активности (SWA). [48]
Также были обнаружены половые различия: женщины, как правило, имеют более высокий уровень SWS по сравнению с мужчинами, по крайней мере, до менопаузы. [49] У пожилых людей наблюдаются гендерные различия в продолжительности сна с медленными движениями глаз (NREM), при этом у женщин наблюдается усиление медленноволнового сна (SWS) как во время обычного, так и во время восстановительного сна, а также более частое возникновение стадий 3 и 4, которые считается медленным сном. [50] Были также исследования, которые показали различия между расами. Результаты показали, что процент СВС у афроамериканцев был ниже, чем у европеоидов, но поскольку существует множество влияющих факторов (например, индекс массы тела , нарушение дыхания во сне , ожирение , диабет и гипертония ), эта потенциальная разница должна быть исследовали дальше. [51]
Психические расстройства играют роль в индивидуальных различиях в качестве и количестве SWS: у испытуемых с депрессией наблюдается меньшая амплитуда медленноволновой активности (SWA) по сравнению со здоровыми участниками. В первой группе также сохраняются половые различия: у мужчин с депрессией амплитуда SWA значительно ниже. Эта половая дивергенция в два раза больше, чем у здоровых людей. Однако в группе с депрессией не наблюдается возрастных различий в отношении SWS. [52]
Во время сна распределение медленноволновой активности (SWA) обычно преобладает в лобной области мозга. [53] В последующем восстановительном сне после лишения сна лобная кора демонстрирует наиболее значительный рост медленноволновой активности (SWA) по сравнению с центральной областью , теменной областью и затылочной областью . [54] [55] Заметное увеличение SWA после депривации сна в лобных областях в сочетании с преобладающим присутствием SWA в лобных областях даже во время базового сна было расценено как свидетельство, подтверждающее участие медленноволнового сна (SWS). ) в функциях, обычно связанных с лобной корой. Таким образом, преобладание медленноволнового сна (SWS) в лобных областях, особенно тех, которые связаны с развитыми когнитивными функциями или когнитивных областей, высокоактивных во время бодрствования, подчеркивает значительную важность SWS. [56]
Некоторые из областей мозга, участвующих в индукции медленноволнового сна, включают:
Более современные лекарства могут улучшить как быстрый, так и медленный сон, особенно медленный сон. [66] Несмотря на то, что эти препараты могут усиливать медленноволновой сон или SWS, они также имеют различный механизм действия. [67]
Гамма-гидроксибутират (ГОМК), служащий его активным метаболитом, синтезируется в центральной нервной системе (ЦНС) из гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК). [68] Химическая гамма-гидроксимасляная кислота (ГОМК) была изучена для увеличения SWS. [69] [70] В Соединенных Штатах Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) разрешает использование ГОМК под торговым названием Xyrem для уменьшения приступов катаплексии и чрезмерной дневной сонливости у пациентов с нарколепсией .
Введение агониста ГАМК, по -видимому, улучшает сон как на 3-й, так и на 4-й стадиях, а также положительно влияет на различные показатели бессонницы. [71] Тиагабин , идентифицированный как селективный ингибитор обратного захвата гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК). Было показано, что он улучшает поддержание сна и значительно увеличивает SWS у здоровых пожилых людей и взрослых пациентов с первичной бессонницей . [72] [73]
Леводопа , препарат, обычно используемый для лечения болезни Паркинсона , увеличивает доступность дофамина в мозге . Ночные однократные дозы леводопы увеличивают SWS на 10,6% у пожилых людей. [74]
Антагонисты серотонинергической системы также улучшают сон 3–4 стадии, хотя они не приводят к постоянному улучшению общей продолжительности сна или симптомов, связанных с бессонницей . [75] Тразодон , атипичный антидепрессант , увеличивает продолжительность СВС; Предполагается, что этот эффект, по крайней мере частично, обусловлен активностью тразодона на рецепторе 5-НТ 2А . [76] Было показано, что различные препараты (чаще всего используемые в качестве антидепрессантов), действующие на 5-HT 2A и 5-HT 2C , могут существенно увеличивать SWS. [77] [78]
{{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )Хотя последовательность стадий медленного сна (NREM) с первой по четвертую (классификация R&K) или с N1 по N3 (классификация AASM) соответствует критериям...
Классификация комбинированных стадий сна 3–4 1968 года была реклассифицирована в 2007 году как стадия N3.
В настоящем исследовании мы впервые показываем, что активация ограниченного узла ГАМКергических нейронов, расположенного в медуллярной ПЗ, может мощно инициировать SWS и кортикальную SWA у животных с хорошим поведением. ... Однако на данный момент остается неясным, связана ли PZ с другими узлами, способствующими сну и бодрствованию, за пределами PB, способствующим пробуждению. ... Интенсивность кортикальной медленноволновой активности (SWA: 0,5–4 Гц) во время SWS также широко признана надежным индикатором потребности во сне ... В заключение, в настоящем исследовании мы продемонстрировали, что все полиграфические и нейроповеденческие проявления SWS, включая SWA, может быть инициирован у животных с хорошим поведением путем избирательной активации ограниченного узла ГАМКергических медуллярных нейронов.
Совсем недавно на основании анатомических, электрофизиологических, химио- и оптогенетических исследований медуллярная парафациальная зона (ПЗ), прилегающая к лицевому нерву, была идентифицирована как центр, способствующий сну.
23, 24
ГАМКергические PZ-нейроны ингибируют глутаматергические парабрахиальные (PB) нейроны, которые проецируются на BF,
25
тем самым способствуя медленному сну за счет бодрствования и быстрого сна. ... Сон регулируется ГАМКергическими популяциями как в преоптической области, так и в стволе мозга; Все больше данных свидетельствует о роли меланин-концентрирующих гормональных клеток латерального гипоталамуса и парафациальной зоны ствола мозга.
Способствующее сну действие ГАМКергических нейронов, расположенных в преоптическом гипоталамусе (6–8), в настоящее время хорошо известно и признано (9). Совсем недавно были открыты другие группы ГАМКергических нейронов, способствующих сну, в латеральном гипоталамусе (нейроны гормона, концентрирующего меланин) и стволе мозга [парафациальная зона; (10)] были идентифицированы.
Прилежащее ядро включает контингент нейронов, специфически экспрессирующих подтип постсинаптического А2А-рецептора (А2AR), что делает их возбудимыми аденозином, его естественным агонистом, наделенным мощными свойствами, способствующими сну [4]. ... В обоих случаях значительная активация нейронов, экспрессирующих A2AR, в NAc способствует медленному сну (SWS) за счет увеличения количества и продолжительности эпизодов. ... После оптогенетической активации ядра наблюдалось аналогичное продвижение SWS, тогда как при активации нейронов, экспрессирующих A2AR, внутри оболочки не наблюдалось никаких существенных эффектов.
Здесь мы показываем, что хемогенетическая или оптогенетическая активация возбуждающих нейронов непрямого пути, экспрессирующих аденозиновый рецептор A2A, в центральной области NAc сильно индуцирует медленноволновой сон. Хемогенетическое ингибирование нейронов непрямого пути NAc предотвращает индукцию сна, но не влияет на гомеостатический отскок сна.
MCHергические нейроны молчат во время бодрствования (W), увеличивают свою активность во время медленного сна (SWS) и еще больше во время быстрого сна (REMS). Исследования на мышах, нокаутированных по MCH (MCH(-/-)) показали снижение SWS и увеличение W во время светлой и темновой фаз цикла свет-темнота.
Нейроны, содержащие нейропептид меланин-концентрирующий гормон (MCH), в основном расположены в латеральном гипоталамусе и инцерто-гипоталамусной области и имеют широко распространенные проекции по всему мозгу. ... Внутрижелудочковая микроинъекция MCH увеличивает как медленный сон (SWS), так и быстрый сон; однако увеличение фазы быстрого сна более выражено. ... Хотя MCH способствует как SWS, так и быстрому сну, быстрый сон, по-видимому, более чувствителен к модуляции MCH.