Физиология сна

Работа отдельных систем организма и протекание физиологических процессов подвержены определенной ритмичности. Суточный ритм является одним из основных, и именно ему подчиняется цикл бодрствование-сон. Бодрствуя человек обучается, занимается активной деятельностью, а перейдя ко сну - находится проходит медленноволновой и быстрый сон.

Сон — это прежде всего поведение, которое характеризуется изменением позы тела и состояния глаз [1].

Электроэнцефалограмма (ЭЭГ) и полисомнография являются золотым стандартом для объективной оценки сна.

Цикл, фаза и стадии сна

Выделяют такие понятия как цикл, фаза и стадия сна.

Цикл сна - это период длительностью приблизительно 1,5-2 часа, который включает в себя медленную фазу (включает 1-4 стадии, NREM) и быструю (5 стадия, REM) фазы сна.

1 стадия (дремота, начальная) - переход от бодрствования ко сну, длится примерно 5-10 минут. На ЭЭГ тета-волны с частотой 4-7 Гц и амплитудой 50-100 мкВ, которые сменяют альфа-ритм (регистрируемый во время бодрствования). Могут регистрироваться острые вертексные волны и гипнагогическая гиперсинхрония (внезапные вспышки высокоамплитудных ритмических тета- или дельта-волн, длительностью 2-8 с).

2 стадия (легкий, неглубокий сон) - длится 20 минут, занимает 45-55% длительности сна. Все больше расслабляются мышцы, уменьшается подвижность глаз, ЧСС, ЧД, АД ниже. Пороги восприятия повышаются, а самым чутким анализатором становится слух. На ЭЭГ появляются сонные веретена продолжительностью 0,5-1 с (сигма-ритм, волны с частотой 12-14 Гц, амплитуда которых сначала увеличивается, достигая пика в 100 мкВ и более, а затем снижается) и К-комплексы на фоне тета-ритма (негативные острые волны, следующие непосредственно за медленным позитивным компонентом, единичные циклы дельта-волн).

3 и 4 ст (умеренно и глубокий сон, дельта-сон) в начале сна длится приблизительно 30-40 минут, 3 ст приблизительно 5-8%общего времени сна, а 4 ст - 10-15%. На ЭЭГ дельта-волны (0,5-4 Гц, 150-250 мкВ) с плотностью менее 50% (3 ст) и более 50% (4 ст.), рябь (остроконечные пульсирующие волны). Хотя недавние исследования объединили стадии 3 и 4 в медленный сон (SWS) из-за присущих ему трудностей в различении этих двух последних стадий глубокого сна. ЧСС, АД, ЧД, температура тела на минимальных значениях, а человека очень сложно разбудить. Могут быть сновидения, которые зачастую трудно вспомнить. Нейрокогнитивная модель утверждает, что сны обычно забываются, потому что они представляют собой внутренние повествования; если внутренний опыт не связан с внешними сигналами, такими как время и место, он обязательно будет забыт [2]. Часто развиваются ночные страхи, разговоры во сне, лунатизм и энурез у детей. Может искажаться время, и проспав несколько часов человеку может казаться, что он вздремнул на пару минут.  

5 стадия сна, или быстрая, быстроволновая, фазой REM-сна называется состояние при котором ЧСС и ЧД становятся нерегулярными, повышается АД, а на ЭЭГ появляются колебания альфа- и бета-диапазона, пилообразные волны (последние специфичны для REM-сна), тета-волны (4-8 Гц). В стволе мозга, мосте и проникающей в латеральные коленчатые тела и зрительной коре возникают понто-геникуло-окципитальные волны (PGO-волны, вспышки активности). Первая REM-фаза развивается через 70-90 минут от начала сна, а ее продолжительность составляет 5-10 минут. В дальнейшем REM-сон становится более длительным, особенно к утру и составляет до ¼ общей продолжительности сна. В эту фазу снятся сны. Однако во многих исследованиях доказано, что сновидения в REM-сне и NREM-сне существенно отличаются [3]. Серия исследований показала, что дети в возрасте до 7 лет видели сны только в 20% случаев после пробуждения от быстрого сна по сравнению с 80–90% у взрослых [4].

Цикл

Во время медленного сна на ЭЭГ постепенно увеличивается амплитуда волн и снижается их частота. После начинается 5 стадия быстрого сна, которая в норме сменяется 2-ой стадией медленного сна или пробуждением. Это называется циклом. За ночь у человека может быть 4-6 циклов с разной структурой. Первый цикл длится 90-100 минут [5]. В начале превалирует глубокий, медленный дельта-сон, а ближе к утру - легкий и быстрый сон (утром он может продлиться около часа).

Длительность сна в среднем составляет 6-8 ч/сут, но допускаются коллебания в пределах от 4 до 10 ч. Продолжительность сна у новорожденных 12-16 ч преобладает REM-сон, взрослых 6-8 ч, у пожилых 4-6 ч. 

Многие факторы могут негативно повлиять на архитектуру сна (последовательность смены стадий), например, количество сна, воздействие света, кофеин, шум.

Сокращение периодов ночного сна всего на 1,3–1,5 часа в течение одной ночи приводит к снижению дневной активности на целых 32% [6].

Физиология медленного сна и бодрствования

Во время бодрствования на ЭЭГ регистрируются низкоамплитудные волны (менее 50 мкВ) с частотой 20-60 Гц (альфа-ритм), высокий мышечный тонус и подвижность глазных яблок, низкий порог восприятия. При этом человек выполняет осознанные действия.

При медленном сне наоборот: подвижность глаз и мышечный тонус резко снижены. Во время быстрого сна также отмечается атония, но появляются быстрые движения глаз.

Для NREM-сна (медленного сна) характерно преобладание анаболических процессов. При этом снижается артериальное давление, ЧСС, ЧД. Характерны изменения гормонального фона в виде усиления секреции гормона роста, особенно в первой половине ночи и половых гормонов [7], выработка Т-клетками IL-2, IL-12 [8], а также IFN-γ. При этом уровень АКТГ и кортизола в первой половине ночи снижены, а под утро - повышаются (сильнее у женщин). Уровни гормона роста повышаются во время сна, независимо от времени наступления сна, и заметно снижаются во время лишения сна. У здоровых людей основной скачок гормона роста, на долю которого приходится примерно 70% суточной продукции, происходит вскоре после начала сна в связи с первой фазой медленного сна [9]. При этом коллебания АКТГ и кортизола не зависят от наличия или отсутствия сна. Тем не менее, переходы бодрствование-сон и сон-бодрствование связаны с ингибированием и стимуляцией уровня кортизола соответственно [10]. В результате амплитуда 24-часового профиля кортизола оказывается слегка сниженной во время длительного бодрствования.

Во второй половине ночи уровень глюкозы снижается до утреннего значения, что отражает улучшение толерантности к глюкозе. Это прогрессивное увеличение поглощения глюкозы, вероятно, отражает замену SWS на быстрый сон и повышенную чувствительность к инсулину из-за отсроченного эффекта низких уровней кортизола в вечернее время и в начале ночи [11].

С появлением «сонных веретен» во 2 ст происходит отключение сознания. Но в промежутках между сонными веретенами, которые возникают примерно 2-5 раз в минуту человека легко разбудить. Изредка сонные веретена возникают в 3 и 4 ст сна.

Происхождение и функции медленного сна

Во время синхронной работы нейронов коры возникают медленные (0,8 Гц) волны. При суммации их сигналов формируются волны с высокой амплитудой и низкой частотой (дельта-ритм), которые могут быть восходящими и нисходящими. В нисходящую фазу доминируют процессы гиперполяризации, работают Са и К-зависимые каналы, а Na-каналы инактивированные, потенциалы действия не регистрируются.

При наложении миниатюрных возбуждающих постсинаптических потенциалов формируется восходящая фаза. В ней преобладают процессы деполяризации, работают Са-каналы T-типа и Na-каналы, а частота потенциалов действия сравнима с периодом бодрствования. 

Зарождение и поддержание сна требует подавления восходящих систем возбуждения, которые способствуют бодрствованию. Уровень внеклеточного аденозина увеличивается в течение всего периода бодрствования, а повышение его уровня сигнализирует о сдвиге уровня ко сну. Аденозин активирует тормозные нейроны вентролатеральной преоптической области мозга и служит переключателем сна [12].

Медленноволновой сон помогает поддерживать синаптический гомеостаз, способствует консолидации памяти, позволяя реактивировать и воспроизводить воспоминания, сформированные в течение дня, в отсутствие другой продолжающейся когнитивной деятельности. Другими функциями медленного сна являются удаление продуктов метаболизма из мозга, восстановление клеток и ДНК в головном мозге и даже формирование иммунологической памяти.

Выводы:

Сон - это физиологический процесс, который состоит из определенных фаза, стадий. Для каждой из стадий характерны свои особенности электрической активности мозга, тонуса мышц и движений глазных яблок, вследствие чего сон делится на 5 стадий. Важно понимать, что у здорового человека присутствуют все стадии сна, с определенными особенностями в разные возрастные периоды. Поочередное изменение стадий сна, именуемое циклом, составляет до 6-8 раз в день, а сам сон длиться в среднем 6-8 часов. Изменение продолжительности и качества сна влияет психическое и соматическое здоровье. Выявить патологию сна в виде нарушения стадий, фаз, цикличности можно при помощи ЭЭГ и/или полисомнографии руководствуясь основными параметрами здорового сна.

Сон играет решающую роль в укреплении здоровья. Исследования последнего десятилетия документально подтвердили, что нарушение сна оказывает сильное влияние на риск инфекционных заболеваний, возникновение и прогрессирование ряда серьезных заболеваний, включая сердечно-сосудистые заболевания и рак, а также на частоту депрессии. Качественный сон способствует улучшению сердечно-сосудистого здоровья, психического здоровья, когнитивных функций, консолидации памяти, иммунитета, репродуктивного здоровья и гормональной регуляции. Все больше внимания уделяется выявлению биологических механизмов, лежащих в основе этих эффектов.

Их понимание поможет разработать новые стратегии для нормализации сна у людей, профилактики развития психических и соматических заболеваний.

1. Buysse DJ. Sleep health: can we define it? Does it matter? Sleep. 2014 Jan 1;37(1):9-17. doi: 10.5665/sleep.3298. PMID: 24470692; PMCID: PMC3902880.
2. Domhoff GW. The Scientific Study of Dreams: Neural Networks, Cognitive Development, and Content Analysis. American Psychological Association; 2003.
3. Takeuchi T, Miyasita A, Inugami M, Yamamoto Y. Intrinsic dreams are not produced without REM sleep mechanisms: evidence through elicitation of sleep onset REM periods. J Sleep Res. 2001 Mar;10(1):43-52. doi: 10.1046/j.1365-2869.2001.00237.x. PMID: 11285054.0.
4. Foulkes D. Children’s Dreaming and the Development of Consciousness. Harvard University Press; 1999.
5. Ruch S, Schmidig FJ, Knüsel L, Henke K. Closed-loop modulation of local slow oscillations in human NREM sleep. Neuroimage. 2022 Dec 1;264:119682. doi: 10.1016/j.neuroimage.2022.119682. Epub 2022 Oct 12. PMID: 36240988.
6. Bonnet MH, Arand DL. We are chronically sleep deprived. Sleep. 1995 Dec;18(10):908-11. doi: 10.1093/sleep/18.10.908. PMID: 8746400.
7. Besedovsky L, Lange T, Born J. Sleep and immune function. Pflugers Arch. 2012 Jan;463(1):121-37. doi: 10.1007/s00424-011-1044-0. Epub 2011 Nov 10. PMID: 22071480; PMCID: PMC3256323.
8. Lissoni P, Rovelli F, Brivio F, Brivio O, Fumagalli L. Circadian secretions of IL-2, IL-12, IL-6 and IL-10 in relation to the light/dark rhythm of the pineal hormone melatonin in healthy humans. Nat Immun. 1998;16(1):1-5. doi: 10.1159/000069464. PMID: 9789119.
9. Van Cauter E, et al. A quantitative estimation of growth hormone secretion in normal man: reproducibility and relation to sleep and time of day. J Clin Endocrinol Metabol. 1992;74:1441–1450. 
10. Gronfier C, Brandenberger G. Ultradian rhythms in pituitary and adrenal hormones: their relations to sleep. Sleep Med Rev. 1998;2:17–29
11. Plat L, Byrne MM, Sturis J, Polonsky KS, Mockel J, Féry F, Van Cauter E. Effects of morning cortisol elevation on insulin secretion and glucose regulation in humans. Am J Physiol. 1996 Jan;270(1 Pt 1):E36-42. doi: 10.1152/ajpendo.1996.270.1.E36. PMID: 8772471.
12. Baranwal N, Yu PK, Siegel NS. Sleep physiology, pathophysiology, and sleep hygiene. Prog Cardiovasc Dis. 2023 Mar-Apr;77:59-69. doi: 10.1016/j.pcad.2023.02.005. Epub 2023 Feb 24. PMID: 36841492.