Фаза медленного сна связана с ритмом внутренних органов

Активность нейронов головного мозга в фазе медленного сна связана с ритмом внутренних органов – к такому выводу в ходе экспериментов над животными пришла группа учёных Института проблем передачи информации им. А.А. Харкевича РАН. Полученные данные открывают новое направление изучения процесса сна и влияния высшего отдела нервной системы, коры головного мозга, на деятельность внутренних органов.

Зачем нужен сон? Теорий сна много, но ни одна из них пока не в состоянии объединить и объяснить весь круг явлений, происходящих в организмах животных и человека в период сна. С некоторых пор известно, что в это время прекращается передача сигналов из внешней среды в центральную нервную систему и, в частности, в сенсорные зоны коры больших полушарий, а в электрической активности разных отделов центральной нервной системы происходят яркие и хорошо изученные изменения. Это наводило на мысль, что сон прежде всего нужен для обеспечения работы мозга. С другой стороны, эксперименты говорили, что если животное лишить сна, оно неизбежно погибает от множественных патологических процессов, развивающихся практически во всех его внутренних органах. Удивительным было то, что единственным органом, наименее страдающим от лишения сна, оказывался как раз мозг животных. Для объяснения этого парадоксального явления ведущий научный сотрудник лаборатории обработки сенсорной информации Института проблем передачи информации им. А.А. Харкевича РАН доктор биологических наук Иван Пигарёв предложил гипотезу, получившую название висцеральной гипотезы сна. Суть её в том, что сенсорные зоны коры мозга, которые в бодрствовании перерабатывают информацию о состоянии окружающей среды, положениях и движениях человека или животного, во сне переключаются на обеспечение жизнеспособности тела и вовлекаются в анализ сигналов, приходящих от разных внутренних органов.

Висцеральная гипотеза сна подтверждалась многочисленными экспериментами, в которых электрическая и магнитная стимуляция стенок органов пищеварения у спящих животных (кошек, кроликов, обезьян) вызывала ответы нейронов разных сенсорных зон коры мозга, включая зрительные.

Этот подход нашёл продолжение в новой работе группы сотрудников Института проблем передачи информации им. А.А. Харкевича (Москва) и Института физиологии им. И.П. Павлова (Санкт-Петербург) РАН. В исследовании была поставлена другая, более близкая к реальной физиологической ситуации задача: выяснить, устанавливается ли во время сна связь между естественной миоэлектрической активностью двенадцатиперстной кишки и разрядами нейронов коры мозга. В работе исключались искусственные виды стимуляции – электрическая или магнитная.

Для исследования были выбраны участки нескольких отделов зрительной коры в затылочной, теменной и лобной долях мозга. Выбор отделов был продиктован тем, что нейроны здесь уже хорошо изучены и известно, что в состоянии бодрствования они реагируют только на зрительную стимуляцию.

Когда учёные в ходе экспериментов с участием кошек регистрировали одновременно активность нейронов зрительной коры и стенок двенадцатиперстной кишки животных, выяснилось следующее. В бодрствующем состоянии эти структуры никак не связаны друг с другом. В фазе быстрого сна наблюдается похожая ситуация. А вот в фазе медленного сна в среднем у 30% исследованных нейронов зрительной коры частота электрических импульсов увеличивалась в определённой фазе перистальтического цикла. На первый взгляд можно подумать, что 30% – цифра не такая уж и солидная.

Однако Иван Пигарёв поясняет: «Мы ожидали увидеть гораздо меньше и были поражены такой большой долей. Если вы будете регистрировать активность нейронов зрительной коры мозга кошки и при этом поместите животное в комнату в условия свободного поведения, а на стене повесите моргающую лампочку, то доля нейронов животного, отвечающих на включение этой лампочки, будет существенно меньше, чем 30%. Наши опыты с двенадцатиперстной кишкой – прямой аналог этой ситуации. Мы берём первые попавшиеся нейроны и смотрим их связь с ритмом кишки. То, что каждый третий нейрон всё-таки выуживает некие сигналы в ритме перистальтики, – это очень здорово!»

Специальный приём анализа позволил показать, что связь активности нейронов коры с определёнными фазами циклической активности кишки не может быть следствием случайного совпадения частоты ритмической активности этих органов, а имеет причинно-следственную основу. Более того, было показано, что реакции отдельных нейронов коры в период медленного сна проявляют избирательность к определённым типам перистальтических циклов кишки.

Упомянутые здесь и полученные ранее сведения о связи «сонной» деятельности высших отделов головного мозга и внутренних органов (помимо двенадцатиперстной кишки также были исследованы другие органы пищеварения, сердце и дыхание) открывают новое направление изучения процесса сна и центрального контроля висцеральными процессами организма.

Источник информации:

Pigarev I.N., Bagaev V.A., Levichkina E.V., Fedorov G.O. and Busigina I.I., Cortical visual areas process intestinal information during slow-wave sleep. Neurogastroenterology & Motility, Volume 25, Issue 3, pages 268–e169, March 2013.