Физиология сна (фазы быстрого и медленного сна). Физиология и патофизиология сна

Введение

Сон - это обратимое состояние отключения от окружающей среды, включая снижение сознания, подвижности скелетных мышц и обмена веществ. Все формы сенсорных реакций заметно уменьшаются в разной степени в зависимости от стадии цикла сна. Хотя это явление наблюдается у всех изученных видов животных и занимает значительную часть продолжительности жизни человека, цель и функция сна остаются недостаточно понятными.

Физиология: быстрый сон

Сон измеряется в основном с помощью полисомнографии (ПСГ), которая считается золотым стандартом для диагностики нарушений сна. ПСГ показывает, что архитектура сна имеет несколько отдельных этапов, которые колеблются между этапами медленного сна (NREM) и этапами быстрого сна (REM). Стадия быстрого сна представляет особый интерес из-за ее связи с широким спектром патологических, психологических и физиологических явлений. В этой статье кратко изложены самые разнообразные медицинские и психиатрические патологии, а также обычные препараты, которые могут нарушить нормальный сон. Поскольку более 50 миллионов американцев страдают от потери сна, лечение расстройств сна становится все более специализированной и межпрофессиональной областью, оказывающей значительное влияние на здоровье пациентов как в острых, так и в хронических ситуациях.

Клеточная регуляция фазы быстрого сна

Цикл сна регулируется циркадным ритмом, который контролируется супрахиазматическим ядром (SCN) гипоталамуса. Циркадные ритмы относятся к регуляции физиологии и поведения в соответствии с циклом день-ночь. Он действует как биологические часы, которые влияют на множество физиологических функций, таких как температура тела, мышечный тонус и метаболическая активность. Считается, что этот цикл поддерживается серией «часовых» генов, которые продуцируют белки в 24-часовом режиме. Двумя наиболее часто изучаемыми белками у млекопитающих являются белки Clock и Bmal1, которые связываются вместе и прикрепляются к определенным участкам ДНК клеток по всему организму для активации генов, таких как Period и Cryptochrome. После активации гены экспрессируют белки, которые влияют на множество клеточных активностей, таких как сигнальная трансдукция и метаболизм, до тех пор, пока не будет достигнута отрицательная петля обратной связи, которая ингибирует связывание Clock-Bmal1 с сайтом ДНК. Это приводит к циклическому образцу бодрствования и сна, который влияет на широкий спектр физиологических и поведенческих явлений, зависящих от времени суток.

SCN получает информацию от нервных клеток сетчатки, которые обнаруживают свет, чтобы регулировать циркадный ритм, и регулирует сон по нескольким путям, которые вызывают ночное высвобождение аденокортикотропный гормон, пролактина, мелатонина и норэпинефрина. Одним из наиболее распространенных путей, с помощью которых это происходит, является симуляция высвобождения норадреналина с помощью SCN, которая, в свою очередь, стимулирует шишковидную железу к выделению мелатонина.

Бодрствование поддерживается подкорковыми структурами и путями, активирующими корковую систему. Эта система называется «системой восходящего возбуждения» и использует несколько основных нейрохимикатов, включая:

Норадреналин (голубое пятно)
Серотонин (срединное ядро)
Гистамин (туберомамиллярное ядро)
Дофамин (околоводопроводное серое вещество)
Ацетилхолин (ножкомостовое ядро покрышки и латеродорсальное ядро покрышки среднего мозга)
Орексин (перифорникальная область)

Инициирование и поддержание сна требуют успешного подавления систем возбуждения за счет ингибирующей активности вентролатеральной преоптической области (VLPO). Спусковые крючки такой подавляющей активности не совсем понятны, но внеклеточное накопление аденозина в переднем мозге было предложено в качестве возможного « переключение сна ». Кофеин и теофиллин являются антагонистами аденозиновых рецепторов, предоставляя дополнительные доказательства этой гипотезы. Возможно участие нескольких других молекул.

Движения глаз, в честь которых назван быстрый сон, во многом связаны с холинергической активностью центра pedunculopontine tegmentum (PPT) и глутаматергической активностью ретикулярной формации медиального понтина (mPRF).

Функция фазы быстрого сна

Цель сна не совсем понятна, особенно быстрый сон. Было предложено несколько теорий функции сна, включая интеграцию и консолидацию памяти, нейрональный гомеостаз и метаболическую консервацию. Несмотря на отсутствие консенсуса, последствия плохого сна, включая нарушение памяти и когнитивные функции, хорошо документированы.

Механизм фазы быстрого сна

Сон существует в виде двух различных типов:

фаза быстрого сна
медленный сон

Отличительной чертой физиологии сна является цикл сна-бодрствования, в котором человек колеблется между медленной и быстрой фазой сна в течение ночи. Переключение между медленным и быстром снос контролируется взаимным ингибированием моноаминергических и холинергических нейронов. Холинергические нейроны становятся высоко активными во время быстрого сна. Это увеличение холинергической активности сопровождается резким снижением активности адренергических и серотонинергических нейронов и устраняется во время медленного сна. Это приводит к ряду различных стадий различных уровней бодрствования, которые характеризуют различные стадии нормального сна.

На архитектуру сна влияют два отдельных процесса: процесс S и процесс C. Процесс S также называют «гомеостатическим двигателем сна» и увеличивается с каждым часом бодрствования. Процесс С относится к циркадному ритму и отвечает за поддержание соответствующих циклов сна / бодрствования, способствуя сну ночью и бодрствованию в течение дня. Это движение увеличивается в течение дня до сна, когда оно начинает снижаться, чтобы способствовать укреплению сна.

Тестирование нарушений фазы быстрого сна

В физиологии сна существуют два способа измерения:

оценка поведения
физиологический мониторинг

Поведенческий мониторинг сна включает в себя наблюдение за потерей сознания, закрытием глаз и увеличением гипотонии скелетных мышц по мере того, как медленный сон переходит в быстрый сон. В дополнение к клиническому наблюдению, качество сна может сообщаться пациентом, субъективно оценивая поддержание сна и степень, в которой пациент чувствует себя бодрым после пробуждения и в течение дня.

Золотым стандартом физиологического мониторинга является полисомнограмма (ПСГ). Полисомнограмма выполняется путем присоединения к пациенту неинвазивных датчиков для регистрации активности мозга с помощью электроэнцефалограммы (ЭЭГ), движения глаз, тонуса субментальной мышцы, движений ног и сердечной деятельности с помощью электрокардиограммы. Датчики перорального и носового воздушного потока, оксиметры пальцев, торакальные и брюшные тензометрические датчики также используются для мониторинга дыхательной активности во время сна. Полисомнограмма используется для идентификации 3 стадий сна медленного сна (N1-N3) и быстрого сна путем измерения определенных ритмов и событий формы волны ЭЭГ, кратко изложенных ниже:

После бодрствования: низкоамплитудная смешанная частота ЭЭГ
Сонное бодрствование: альфа-волны с пиками 8-13 Гц
Стадия N1: тета-волны от 4 до 7 Гц (пилообразные)
Стадия N2: шпиндели с частотой от 11 до 16 Гц (всплески волн) и K-комплексы от 0,5 до 2 Гц (двухфазные волны)
Стадия N3: дельта-волны от 0,5 до 3 Гц (большие и медленные)
Быстрый сон (стадия R): тета-волны или волнообразные паттерны

Начало сна начинается с бодрствования и быстро прогрессирует до быстрого сна примерно на 60-90 минут. Затем следуют циклические изменения между быстрым и медленном сном каждые 90-120 минут до пробуждения. Большая сать быстрого сна происходит во второй половине ночи, а медленный сон доминирует в первой половине ночи.

Множество параметров используется для измерения быстрого сна, включая время до начала, продолжительность стадии быстрого сна и количество движений глаз, которое происходит во время быстрого сна. Латентный быстрый сон относится к тому времени, которое проходит между началом сна и первой стадией быстрого сна. Плотность быстрого сна определяют по числу движений глаз во время сна, и изменения этим могут быть связаны с недосыпанием и депрессией.

Патофизиология фазы быстрого сна

Существует множество патологий, которые нарушают нормальную физиологию сна. Ниже приведены некоторые из наиболее распространенных.

Физиологические нарушения сна

Нарколепсия является результатом наследственной потери высвобождающих орексин нейронов в латеральном гиппокампе, что вызывает сонливость, нарушение цикла сна и катаплексию. Отличительной чертой нарколепсии являются эпизоды неконтролируемой сонливости, которая приводит к бодрствованию, называемому «приступами сна». Это связано с аберрантной активацией контуров быстрого сна, что приводит к параличу или гипотонии, характерным для нарколепсии. Катаплексия является патогномоничной для этого состояния и состоит в потере мышечного тонуса, который часто вызывается стрессорами, такими как громкие звуки или повышенные эмоции. Гипнагогические (при сне) и гипнопомпические (при пробуждении) галлюцинации чаще встречаются у нарколептиков, чем у большинства пациентов, как и паралич сна (чаще всего при пробуждении).

Обструктивное апноэ во сне (OSA) - это прекращение воздушного потока, несмотря на нормальное дыхательное усилие из-за частичной или полной обструкции верхних дыхательных путей. Полисомнография - это золотой стандарт для диагностики OSA. Быстрый сон коррелирует с тяжестью апноэ во сне, вторичной к различиям в положениях сна между быстрым и медленным сном. В частности, эпизоды апноэ могут наблюдаться при ПСГ и более распространены во время быстрого сна из-за распространенности пациентов, спящих в положении лежа на спине. Это связано с увеличением частоты эпизодов апноэ, не влияющих на продолжительность эпизодов.

Психиатрические нарушения сна

Большое депрессивное расстройство (MDD) было связано с уменьшением латентности быстрого сна, увеличением его плотности и продолжительным первым циклом. Многочисленные исследования показали, что антидепрессанты (включая селективные ингибиторы обратного захвата серотонина, ингибиторы обратного захвата серотонин-норэпинефрина и трициклические антидепрессанты) и когнитивно-поведенческая терапия нормализуют архитектуру сна. Почти все антидепрессанты вызывают увеличение латентности быстрого сна и уменьшают его общее время . Интересно, что укороченная латентность быстрого сна сохраняется во время ремиссии и даже присутствует у пациентов с сильной семейной историей депрессии, у которых нет симптомов большого депрессивного расстройства.

Биполярное расстройство (BD) характеризуется широким спектром нарушений сна, которые наблюдаются, когда пациент колеблется между эпизодами мании, биполярной депрессии и эутимии. Задержка быстрого сна короче, плотность увеличивается как в маниакальных, так и в депрессивных эпизодах. У пациентов с эвтюмическим биполярный расстройством (Euthymic BD) латентность быстрого сна аналогичным образом сокращается, но наблюдается увеличение его общего количества. Следует отметить положительные корреляции, которые существуют между продолжительностью первого периода быстрого сна с маниакальными симптомами и плотностью быстрого сна с симптомами депрессии, которые длятся более трех месяцев.

Шизофрения связана с несколькими изменениями быстрого сна, включая снижение латентности, более высокую плотность быстрого сна и неспособность восстанавливаться после его лишения. Однако эти изменения не были подтверждены. Соответствующее лечение антипсихотическими препаратами связано с увеличением общего времени сна и латентностью быстрого сна. Существует несколько различий между типичными и нетипичными антипсихотическими препаратами, что свидетельствует о том, что антипсихотические препараты второго поколения оказывают дополнительные положительные эффекты на сон благодаря лечению других психиатрических симптомов, таких как депрессия и когнитивные нарушения.

Парасомнии представляют собой класс патологий, определяемых как поведенческие проявления частичного пробуждения от сна, особенно быстрого сна. Парасомнии могут иметь физиологические отклонения, возникающие на стадии быстрого сна, включая ослабленные или болезненные эрекции, связанные со сном, брадикардию и остановку синуса сердца. Другие парасомнии включают явления, которые связаны с быстрым сном, такие как сновидения, и могут проявляться как кошмарное расстройство. Другие расстройства включают аберрации мышечной атонии, связанной с быстрым сном, что приводит к поведенческим расстройствам, таким как рецидивирующий изолированный паралич сна и расстройство поведения быстрого сна.

Расстройство поведения быстрого сна (REMBD) представляет собой особенно интересную парасомнию. REMBD - это идиопатическое нарушение архитектуры сна, которое характеризуется значительно уменьшенной атонией глазодвигательных-мышц, что приводит к активному осуществлению снов во время быстрого сна. REMBD обнаруживается примерно у 0,5% пожилого населения и тесно связан с синдромами паркинсонизма, такими как деменция с тельцами Леви (LBD), болезнь Паркинсона (PD) и множественная системная атрофия (MSA). Фактически, несколько исследований показали, что у большинства пациентов, которые испытывают REMBD, впоследствии диагностируется один или несколько из этих синдромов.

Бессонница характеризуется дисфункцией начала сна или поддержания, которые не вызваны веществами или вторичными заболеваниями. Исследования показали, что бессонница связана с уменьшением общего быстрого сна и медленного сна. Седативные снотворные, которые способствуют передаче сигналов ГАМК, такие как золпидем или триазолам, являются лечением первой линии для пациентов, страдающих бессонницей, возникающей во время сна, хотя в последнее время разрабатываются ингибиторы 5-НТ2 как потенциальные средства лечения бессонницы.

Несколько распространенных веществ и лекарств связаны с нарушением быстрого сна. Алкоголь является обычно используемым веществом для самолечения и значительно задерживает первое наступление быстрого сна.

Клиническое значение нарушений фаз быстрого сна

Более 50 миллионов американцев страдают от потери сна, которая определяется как продолжительность сна меньше, чем в среднем 7-8 часов в сутки. Острая и хроническая потеря сна приводит к широкому спектру вредных последствий. Острая потеря сна приводит к ряду вредных симптомов, включая сонливость в дневное время, снижение памяти и снижение концентрации внимания. Хроническая потеря сна постоянно ассоциируется с повышенным риском серьезных заболеваний, включая диабет, ожирение и депрессию. Кроме того, лишение сна связано со значительным увеличением сердечно-сосудистых заболеваний, включая гипертонию, сердечный приступ и инсульт. Нарушения сна легко поддаются лечению и являются важным фактором комплексного ухода за пациентами.

Используемые материалы относительно фаз сна:

Tononi G, Cirelli C. Sleep and the price of plasticity: from synaptic and cellular homeostasis to memory consolidation and integration. Neuron. 2014 Jan 08;81(1):12-34.
Carley DW, Farabi SS. Physiology of Sleep. Diabetes Spectr. 2016 Feb;29(1):5-9.
Institute of Medicine (US) Committee on Sleep Medicine and Research. Sleep Disorders and Sleep Deprivation: An Unmet Public Health Problem. Colten HR, Altevogt BM, editors. National Academies Press (US); Washington (DC): 2006.
España RA, Scammell TE. Sleep neurobiology from a clinical perspective. Sleep. 2011 Jul 01;34(7):845-58.
Datta S, Knapp CM, Koul-Tiwari R, Barnes A. The homeostatic regulation of REM sleep: A role for localized expression of brain-derived neurotrophic factor in the brainstem. Behav. Brain Res. 2015 Oct 01;292:381-92.
Anderson KN, Bradley AJ. Sleep disturbance in mental health problems and neurodegenerative disease. Nat Sci Sleep. 2013;5:61-75.
Fraigne JJ, Grace KP, Horner RL, Peever J. Mechanisms of REM sleep in health and disease. Curr Opin Pulm Med. 2014 Nov;20(6):527-32.
Oksenberg A, Arons E, Nasser K, Vander T, Radwan H. REM-related obstructive sleep apnea: the effect of body position. J Clin Sleep Med. 2010 Aug 15;6(4):343-8.
Fleetham JA, Fleming JA. Parasomnias. CMAJ. 2014 May 13;186(8):E273-80.
Iranzo A, Fernández-Arcos A, Tolosa E, Serradell M, Molinuevo JL, Valldeoriola F, Gelpi E, Vilaseca I, Sánchez-Valle R, Lladó A, Gaig C, Santamaría J. Neurodegenerative disorder risk in idiopathic REM sleep behavior disorder: study in 174 patients. PLoS ONE. 2014;9(2):e89741.
Baglioni C, Regen W, Teghen A, Spiegelhalder K, Feige B, Nissen C, Riemann D. Sleep changes in the disorder of insomnia: a meta-analysis of polysomnographic studies. Sleep Med Rev. 2014 Jun;18(3):195-213.
Ebrahim IO, Shapiro CM, Williams AJ, Fenwick PB. Alcohol and sleep I: effects on normal sleep. Alcohol. Clin. Exp. Res. 2013 Apr;37(4):539-49.

^Наверх