Сон як хронобіологіческіе процес

Слід зазначити, що, незважаючи на очевидний ритмічний характер циклу сон-неспання, хронобіологія розвивалася у відносній ізоляції від сомнологи. Це було пов'язано з тим, що більшість відомих хронобіо-логічних експериментів проводилося без залучення реєстрації ЕЕГ, в той же час головним об'єктом вивчення у сомнологи в 30-70 рр. були кішки і собаки, які не мали вираженої ритмічною організації поведінки.

Як і будь-яка інша наука, хронобіологія має свій понятійний і методологічний апарат. Основним її завданням стосовно до людського організму є виявлення і всебічне визначення біологічних ритмів, тобто циклічно повторюється змін фізіологічних функцій і поведінки. В даний час відомо більше 100 таких ритмів. Франц Халь-берг в 1959 році запропонував розділяти їх на ціркадіанние, період яких складає близько 24 годин (наприклад, цикл сон-неспання, ритм коливань внутрішньої температури, ритм виділення кортизолу); ультрадіанние з періодом менше 24 годин (ритм серцевих скорочень, ритм дихання) і ін-фрадіанние з періодом більше доби (менструальний цикл, ритм сезонних коливань настрою і активності). Найбільш поширені ціркадіанние ритми.

Іншим важливим предметом вивчення хронобиологии є виявлення так званих времязадателей (Zeitgeber) - впливів, які можуть змінювати характеристики біологічних ритмів, зміщувати їх в ту чи іншу сторону з тимчасової осі. У численних дослідах на тваринах і експериментах на добровольцях було показано, що головним времязадателем для тварин і людини є рівень освітленості. Саме повторювані щодоби періоди високої освітленості дозволяють синхронізувати більшість ритмів організму з 24-годинними змінами оточення. Було показано, що для процесу підстроювання (entraintment, залучення) "внутрішнього годинника" організму досить навіть порівняно коротких 15-60 хв. періодів інтенсивного світлового впливу. При цьому важливу роль для розвитку ефекту грає поточний стан керованого фізіологічного показника на 24-годинний кривої його добової динаміки. Для багатьох показників були побудовані так звані "криві фазового відгуку", було показано, що максимальний ефект роблять времязадающіе впливу, що застосовуються в початкових або кінцевих точках цієї кривої.

Czeisler з співавт. (1986) вдавалося домогтися зміщення циклу сну-неспання на більш пізній або, навпаки, більш ранній час. Якщо світловий вплив доводилося на початок періоду сну (В), то це призводило до зміщення часу засинання на більш пізній час (відставлений фазовий зсув), якщо на кінець періоду сну (С) - до зміщення на більш ранній час (передчасний фазовий зсув). Світлове вплив в середині циклу сон-бадьорий-ствование (А) не привело до помітних тимчасовим зрушенням періоду сну.

За силою впливу впливу на ритми організму головним є світловий времязадатель. У зв'язку з цим в даний час времязадателі прийнято ділити на фотичного (світлові) і нефотіческіе.

Величезний внесок у вивчення біологічних ритмів людини внесли спостереження за поведінкою людей в умовах часткової або повної ізоляції. У 1939 році професор Натаніель Клейтман (N. Kleitman) зі співробітником Брюсом Річардсон (В. Richardson) провели більше 1 місяця в печері Маммот (штат Кентуккі). Тут вони жили і працювали в умовах штучного 28-годинного дня. В таких умовах штучної десинхронизации було показано, що ритм температури може не збігатися з циклом сон-неспання. Так, протягом одного тижня життя в умовах ізоляції на 6 циклів сну-неспання довелося 7 циклів коливань температури. У 1962 р директор Інституту поведінкової фізіології імені Макса Планка в Баварії Юрген Ашофф (J. Aschoff) з фізиком Рутгером Вівером (R. Wever) організували цикл досліджень біологічних ритмів людини в умовах повної ізоляції. Для цього використовувався колишній військовий бункер, де були обладнані приміщення для автономного проживання, куди не проникали зовнішні шуми і світло. Всього в дослідженні взяло участь більше 200 добровольців, які жили в умовах ізоляції по кілька тижнів. Результати спостережень були узагальнені в монографії "циркадні система людини", що стала класичною працею по хронобиологии.

Вкрай важлива інформація були отримана щодо характеристик циклу сон-неспання людини. Виявилося, що у більшості обстежених (у 60%) період циклу склав близько 25 годин. На 20-й день експерименту, після припинення дії времязадателей ритм сну-бадьорий-ствование випробуваного став свободновибранним і склав 25,3 години. При цьому в умовах ізоляції у деяких піддослідних виявлялися коливання індивідуального періоду сну-неспання від 12 до 70 годин! Було показано, що температурний ритм у людини є більш стабільною величиною. Його період змінювався в діапазоні 23-27 год. В середньому складаючи 24,5 ч. В умовах ізоляції, як і при примусової десинхронізації в досвіді Н. Клейтман відбувалося неузгодженість ритмів сну-неспання і внутрішньої температури, що підтверджувало наявність для них різних водіїв ритму (пейсмейкерів). Цікавим супутнім фактом, отриманим в цих дослідженнях, було те, що випробовувані відзначали значне поліпшення самопочуття тоді, коли починали жити по "суб'єктивним діб". У 1972 р був також проведений цикл досліджень французьким спелеологом Мішель Сіфр (М. Siffre), які перебували протягом 59 днів в печері на глибині 375 футів. Його свободновибранний (free running) період циклу сон-неспання склав 24,5 ч. У більш пізніх дослідах з примусовою десинхронізацією, проведених Чарльзом Цейслером, були визначені інші показники внутрішнього періоду циклу сну-неспання - 24,2 ч. (Від 23,9 до 24,4 год.).

Таким чином, було доведено, що цикл сон-неспання людини має значення, чи не точно збігається з 24-х годинними цілодобово, його період варіює в досить широких межах і жорстко не пов'язаний з іншими ритмами, такими як температура тіла і ритм секреції гормонів. Було припущено наявність єдиного центру, організуючого біоритми людини, та виявлено чинники, що впливають на цю активність (фотичного і нефотіческіе времязадателі).

Іншим органом, залученим в регуляцію біологічних ритмів людини, є шишковидная заліза (епіфіз). Це непарне утворення трикутної форми розміром 1-1,2 см (у дорослих) лежить в області проміжного мозку над верхніми горбками даху середнього мозку. Епіфіз є ендокринної залозою, що виробляє гормон мелатонін - індол, що продукується з триптофану. Крім епіфіза, синтез мелатоніну здійснюється також сітківкою, циліарного тілом очі і органами шлунково-кишкового тракту. Ритм секреції М епіфізом носить чітко виражений ціркадіанний характер. Рівень цього гормону в крові починає підвищуватися у вечірній час, збігаючись зі зменшенням рівня освітленості, досягає максимуму в середині ночі (2-3 ч.), Потім прогресивно зменшується до ранку. У денний час секреція мелатоніну залишається на дуже низькому рівні. Ціркадіанний ритм вироблення мелатоніну епіфізом задається СХЯ в залежності від рівня освітленості. Від цих ядер до епіфізу веде еферентної шлях через центральний симпатичний тракт і верхні шийні ганглії. Світло пригнічує секрецію дозозависимо. Мінімальний рівень світлового потоку складає 200- 300 люкс, повне придушення секреції відбувається при впливі світлом інтенсивністю 1500 люкс при експозиції 15 хв. Застосування бета ^ адре-ноблокаторов також веде до припинення секреції мелатоніну. В умовах ізоляції і повної темряви проявляється свободновибранний ритм секреції мелатоніну, який становить 25 ч. При визначенні розподілу гормону в організмі було показано, що максимальна його концентрація відзначається в області гіпоталамуса, в СХЯ виявлено найбільшу кількість рецепторів до мелатоніну. Однак мелатоніновой рецептори є і в інших органах, можливо і нерецепторное вплив цього гормону завдяки дифузії всередину клітин.

Модель регуляції біологічних ритмів людини (в тому числі і циклу сон-неспання) була запропонована С. Czeisler. Відповідно до неї, головним Пейсмейкер ритмічної активності організму є супрахіазменние ядра. Вони здійснюють управління вторинними пейсмейкер (дихальний, судиноруховий центр, гипоталамические секреторні центри) за допомогою еферентних проекцій, багато з яких ще не виявлені. Функція синхронізації з навколишнім світом здійснюється за допомогою реакції на вплив фотичного і нефотіческіх времязадателей. Головним шляхом для перших є РГТ, допоміжним - ГГТ. Нефотіческіе времязадателі діють через прямі і непрямі (через межколенчатую область) проекції, що йдуть від лобової кори, інших ядер гіпоталамуса і стовбурових центрів. Загадковим залишається необхідність існування другого контуру регуляції біоритмів - епіфізарний-мелатоніновой. Передбачається роль епіфіза як допоміжного, стабілізуючого роботу СХЯ рівня регуляції, ево-люціонной більш давнього (у багатьох птахів саме епіфіз є головним Пейсмейкер), але втратив провідне значення. Це підтверджується результатами досліджень з виключенням функції епіфіза, що призводило до можливості більш легких зрушень біоритмів. Саме вік-залежним процесом звапніння шишкоподібної залози пояснюють почастішання порушень циклу сон-неспання у літніх людей. Проте, роль мелатоніну ще остаточно не визначена. Показано, що він володіє пришвидшує вечірнє засинання дією (навіть в малих дозах - 0,3 мг) і збільшує сонливість в денний час. Показано, що у великих дозах мелатонін пригнічує 3-4 стадії повільного сну і подовжує період швидкого сну. Проте, ці ефекти незначні і не у всіх дослідженнях підтверджуються. Багато дослідників продовжують розглядати мелатонін не як сомногенної (soporific), а як хронобіотіческую (chronobiotic) субстанцію.

Теорії, покликані пояснити наступ і перебіг сну, пропонуються фахівцями самих різних галузей біологічних наук: гуморальна - нейрохімікамі, бихевиоральная - психологами, нейрональная - нейрофізіологи і т.д. Однією з найбільш доказових вважається хронобіологіческіе модель сну, яка розглядає цикл сон-неспання як окремий випадок ціркадіанних змін в організмі людини. В даний час популярні дві хронобіологіческіх теорії сну. Перша була запропонована R. Kronauer з співавт. в 1982 р Вона базувалася на відомих на той час свідоцтвах існування так званих "сильних" і "слабких" осциляторів. Одні біологічні ритми в експериментальних умовах (ізоляція, примусова десинхронізація) змінювалися легко і на великі величини, ніж інші. Було висловлено припущення, що перші ритми управляються таким собі "сильним" Пейсмейкер, який до певної міри може пригнічувати діяльність "слабкого". Передбачалося, що такі відносно стабільні показники, як ритм внутрішньої температури тіла, чергування періодів швидкого сну, ритм секреції кортизолу, контролюються якимось осциллятором, який приблизно в 4 рази потужніша, ніж інший, який контролює ритм чергування повільного сну, коливань шкірної температури і ритм секреції СТГ . Світлова експозиція, приурочена до часу дії "сильного" осцилятора, викликає феномен зсуву циклу сон-неспання на більш ранній час (випереджаюче фазовий зсув), а з дією "слабкого" - на більш пізній (запізнюється фазовий зсув). Ця теорія не стільки намагається пояснити питання виникнення сну, скільки запропонувати загальну модель регуляції всіх (або більшості) біоритмів організму людини.

Індивідуальними варіантами циклу сон-неспання у людини є так звані хронотипів. У 1939 р фізіотерапевт Г. Ламперт запропонував поділ на "сов" і "жайворонків". Люди першого, "вечірнього" типу мають високу працездатність у вечірній час, в той час як другого "ранкового" типу - вранці. Надалі були виділені і інші хронотипів, включаючи і нейтральний - "голуби", тобто суб'єкти, що мають високу працездатність як в ранковий, так і у вечірній час.

У людей різних хронотипів розрізняються не тільки періоди максимальної працездатності і час відходу до сну, а й характеристики інших біологічних ритмів. Так було показано, що у "жайворонків" вечірній температурний пік виникав на годину і більше раніше, ніж у "сов". У людей ранкового типу структура сну залишалася більш незмінною від ночі до ночі, однак їм важче виявилося пристосовуватися до умов, що змінюються оточення, наприклад, при транстемпоральних перельотах.

Останнім часом накопичується все більше даних на користь генетичної природи особливостей хронотипів людей і тварин. У 1971 р був відкритий перший ген, пов'язаний з особливостями біоритмів у плодової мушки дрозофіли. Він отримав назву per, так як визначав період вилуплення і рухової активності (короткий - 18-20 днів і довгий 28-30 днів).