Как мозг управляет порядком стадий сна, курс «SOREMPs в практике ОС/ВТО»

Оригинал с кликабельными ссылками и аудио:
https://osnauka.ru/soremps/66

 

Транскрибация:

И вот мы подходим к по настоящему сложной теме, которую я постараюсь осветить, тем не менее, максимально просто. При первом взгляде эти сентенции могут показаться довольно сложными, но нам нужно с ними познакомиться для того, чтобы дальше обсуждать уже не только SOREMPs, но и в принципе любые трансформации стадий сна, включая, например, стимуляцию фазы БДГ, которую мы, сновидцы, постоянно пытаемся достичь разными способами. Нам просто необходимо в этом разобраться.

Как же мозг управляет порядком стадий сна? Почему после засыпания, в норме, происходит медленный сон, потом быстрый, потом этот цикл повторяется снова и снова какое-то количество раз, и в конце концов мы просыпаемся и не можем заснуть? Этот вопрос в более научной формулировке ученые задают себе с самого начала изучения полисомнографии и стадий сна, потому что это, действительно, прямо какая-то загадка. С чего вдруг именно 90 минут, каждые полтора часа происходит эта циклическая смена активности?

Ну, у человека 90 минут, а у кошек, собак, мышей и крыс — другие циклы, более короткие. Но принцип тот же. У подопытных животных, которые используются в научных экспериментах, сон хотя по продолжительности этих циклов и стадий отличается, но принцип абсолютно тот же самый. Поэтому на них и ставятся все эти эксперименты. И благодаря братьям нашим меньшим мы как раз и получили сейчас возможность достаточно достоверно это себе представлять. Настолько, что можем теперь буквально моделировать всякого рода воздействия в данном случае на животное, в том числе, например, фармакологические, и достоверно и гарантированно заранее знать, как изменятся эти циклы, если мы дадим ему такую-то таблетку или даже произведем такую-то инъекцию в такую-то зону головного мозга. И это, надо сказать, выглядит как какое-то чудо.

Для того, чтобы разобраться в этом «чуде», нам нужно ввести понятие «популяции нейронов». Это, по сути, группы клеток в головном мозге. Группы, ограниченные какой-то оболочкой или локализованностью или просто расположенная примерно там-то, но это именно такие-то клетки, такого-то вида и с такими-то биологически-активными веществами, которые в них либо синтезируются либо используются в качестве передатчика. Это иногда ограниченные зоны, а иногда отчасти рассредоточенные группы клеток, но которые действуют как некая политическая партия, заодно. Такого рода популяций нейронов, которые влияют на сон, обнаружено уже несколько десятков. Я привожу ссылку (см. слайд) на микро-пост на сайте osnauka-ru «Нейромедиаторы, регулирующие сон». Вот там, я сейчас специально посмотрел, около 30 таких популяций нейронов упомянуты. И больше десятка, по-моему, нейромедиаторов и биологически-активных веществ, которые участвуют в этих процессах.

Можно сравнить эту систему с политическими партиями. Представьте себе государство, в котором есть 30 политических партий, каждая из которых имеет свою программу и находится в каких-то взаимоотношениями со всеми остальными партиями. С какими-то дружат, вступают в альянсы, какие-то не переносят на дух, противоборствуют. И вот, за одну ночь происходит даже не одна историческая эпоха, а несколько циклов таких эпох. Представьте, что перед нашими глазами протекает за ночь тысячелетняя история. Вот то же самое, примерно, происходит и в головном мозге.

Эти популяции нейронов можно разделить на три основные группы. Их уже достаточно давно начали так делить, хотя это упрощение и более современные схемы значительно сложнее. Но давайте, чтобы понять и представить, как это работает, и как дань уважения истории развития этого раздела науки, пока ограничимся этими тремя группами:

1) Wake-нейроны, то есть нейроны, отвечающие за бодрствование. Принято считать, что в значительной степени ими заведует нейромедиатор норадреналин. Здесь есть ссылочка (см. слайд), можете почитать, что это такое, но мы еще об этом будем говорить. Может быть, не только и не столько в рамках этого курса, но в рамках БАЗОСа точно.

2) NREM-нейроны. То есть нейроны, которые стимулируют медленный сон. Ими заведует, в значительной степени ГАМК (гамма-аминомасляная кислота).

3) REM-нейроны. Это нейроны, которые отвечают как раз за фазу БДГ. И этими нейронами, в основном, заведует ацетилхолин.

Всё это достаточно примитивно, просто. Но это упрощение, из которого можно потом строить что-то более сложное. И мы здесь даже не три популяции нейронов выделили, а три группы популяций. На самом деле в каждой по несколько подгрупп. Но они все на этой упрощенной схеме друг с другом как-то соотносятся. Вот, скажем, Wake-нейроны подавляют NREM-нейроны и подавляют REM-нейроны. Что это значит? Что если уж мы проснулись как следует, то нам, в принципе, сложно и в медленный, и в быстрый сон перейти. И пока мы бодрствуем, в норме не падаем с ног, как при нарколепсии, когда нам хочется спать. Только когда очень устанем. То есть сюда еще нужно подключить, как обычно рисуют на этих схемах, гомеостатическое управление сном и циркадные ритмы, и тогда станет понятно, почему рано или поздно Wake-нейроны в течение суток подавляются и включаются NREM-нейроны.

И вот другой пример. Допустим у нас сейчас идет фаза БДГ. Она активирует Wake-нейроны. И при этом подавляется NREM-нейронами и Wake-нейронами. Вот допустим у нас уже началась фаза БДГ. Вопрос: что будет дальше? А дальше будет то, что REM-нейроны активируют Wake-нейроны, то есть насколько REM-нейроны активны, в какой-то степени постепенно становятся все более активны и Wake-нейроны. К чему это приведет? К тому, что рано или поздно Wake-нейроны станут настолько активны, что они затормозят REM-нейроны и как-бы «захватят власть». Это неизбежно. Поэтому неизбежно фаза БДГ в норме заканчивается пробуждением. Оно может быть короткое, потому что NREM-нейроны, отвечающие за медленный сон тоже активны. Поэтому пробуждение в начале ночи может быть микроскопическим, благодаря циркадным ритмам и гомеостазу, Wake-нейроны лишь ненадолго активируются и мы тут же снова заснем. Но заснем уже не в фазу БДГ, а в медленный сон. Потому что Wake-нейроны подавляют REM-нейроны. И если уж мы проснулись, то просто так в фазу БДГ мы не можем вернуться.

Повторю, что это упрощенная схема. Но она уже показывает логику взаимодействия этих популяций нейронов. Если же мы посмотрим на более сложные схемы, которые у нас здесь тоже представлены (см. слайд), то увидим здесь уже не три группы нейронов. Их уже больше. Взаимосвязи тоже более замысловатые. Здесь уже упоминается еще и серотонин, то есть всего задействовано четыре нейромедиатора. На самом деле, повторю, тех биологически активных веществ, которые влияют на сон, выделено уже около десятка так точно. Но даже на этой тоже еще достаточно простой схеме, я здесь не привожу эти графики и гипнограммы, но их вполне можно построить и вы можете посмотреть их по ссылкам на научные статьи.

Статьи, которые я привожу, совершенно «мозгодробительны», потому что они написаны биоматематиками, а биоматематика — это достаточно новаторская и очень сложная сфера знаний. Это математики, которые моделируют биологические процессы. Я не знаю, что сейчас в науке сложнее и с чем это можно сравнить. Вот у нас в комментариях было обсуждение, что, наверное, эти сферы более сложны, чем ядерная физика. Ну, наверное. Хотя ядерная физика — это уже, считай, квантовая физика. И понятно, что там вряд ли сильно проще. Но это сравнимо, как минимум. И поэтому статьи посмотреть интересно, иллюстрации, формулы, не вникая в детали. Но разобраться в них, думаю, могут сейчас лишь единицы во всем мире. И, кстати говоря, эти две статьи и вся эта тема двигается сейчас двумя математиками-женщинами. Так что прогрессивнее сложно что-то сейчас себе представить. Поэтому это очень интересно, но, к сожалению, моих мозгов недостаточно, чтобы разобраться в деталях. И всё-таки принципы, я считаю, что достаточно понятны.

И я хочу сказать еще раз, мы это начали обсуждать в комментариях, что, на самом деле, это сложно — НАМ. Потому что МЫ рассуждаем и мыслим, в большей степени, историями. Так мы, люди, эволюционно развиты. Мы привыкли думать о взаимоотношении людей. Я пот привожу сравнение с политическими партиями, для чего? Чтобы понятно было. А почему становится понятно? Потому что мы — люди, социальные существа, которые оперируют понятиями «добро» и «зло», «хороший» и «плохой», «злой» и «добрый», «друг» и «враг». Вот в таких взаимоотношениях мы видим все процессы. И у популяций нейронов тоже как раз есть возбуждение и ингибирование, что очень удобно, два принципа, на основе которых строятся все процессы. Но комплекс этих взаимоотношений настолько сложен, что человеку его представить во всех деталях никак не получится. Но это не значит, что это в принципе сложно. Просто в данном случае нужны другие инструменты, нежели наше человеческое мышление. Математические. Я думаю, что сейчас именно математика ближе всего к тому, чтобы объяснить и смоделировать эти биологические процессы, в том числе которые касаются регуляции сна и бодрствования. Так что просто не нужно пытаться это делать в уме. Да, это бесполезно. Но построив математическую модель, если вы обладаете необходимым знанием и владеете математическим аппаратом, дальше, в общем, всё не так уж и сложно.

Здесь, в этой схеме, которая упоминается во второй статье, используется, по-моему, больше 60 параметров — в них описываются и популяции нейронов, и их взаимосвязи. То есть, грубо говоря, 60 переменных. Конечно, их невозможно представить и одновременно удерживать в голове. Нет смысла даже пытаться. Но составить программу, которая оперирует 60 переменными — а я составлял программы, которые оперируют сотнями переменных — думаю, не так уж сложно. Поэтому когда ребята говорят, что это невозможно понять и невозможно смоделировать и представить, я уже считаю иначе. Да нет, можно. Просто мы не в состоянии пока что приблизиться к такому идеалу, чтобы создать вот этот искусственный интеллект или модель мозга, которая будет точь-в-точь как мозг какого-нибудь конкретного Ивана Ивановича. Да, до этого далеко. Но составить программу и модель работы мозга грызуна и посмотреть, как его циклы сна будут меняться в зависимости от того, дадим мы ему что-то стимулирующее ацтилхолин или ГАМК, и будет этот нейромедиатор стимулирован в этой популяции нейронов или другой — вот это уже вполне можно. И на графике вы можете увидеть (см. слайд), что смоделированные таким образом инъекции регулирующих сон и бодрствование нейромедиаторов в конкретных популяциях нейронов, абсолютно бьются, буквально до процентов, с тем, что мы получаем в экспериментах, когда в реальности этим бедным мышкам что-то вкалывают или как-то иначе их стимулируют. То есть оказывается, что вроде бы это и сложно, но если поработать головой и математическим аппаратом, то уже вполне поддается моделированию.

Но всё-таки эта модель, которую я привожу, всё еще упрощена. Даже визуально видно, что здесь не десять нейромедиаторов и не тридцать популяций нейронов. Это нужно развивать, это требует времени. Сейчас фактически, я не знаю, кто еще над этим работают, кроме этих двух ученых. Я изучал в свое время курс на «курсере», когда познакомился с этой темой. Потому вот научные статьи смотрел. Но я не видел, чтобы еще какие-то серьезные группы какую-то альтернативу этой модели сделали. Хотя направь сюда целый математический институт, они построят схему и на несколько десятков популяций нейронов. И рано или поздно, я верю, что такого рода технологии и модели позволят нам прогнозировать те или иные искажения циклов сна так же, как мы сейчас предсказываем, например, погоду. А может быть и лучше. Представьте, что у вас на руке какие-нибудь умные часы, которые фиксируют вашу жизнедеятельность в течение дня. Может быть, вы еще отмечаете, что вот я пришел в институт, делаю то-то, позавтракал тем-то. Или это автоматически как-то фиксируется. И перед сном вам программа выдает, что сегодня ночью у вас будет такая-то гипнограмма. Хотите повлиять? Пожалуйста. Выпейте чай из таких-то и таких-то трав, съешьте шоколадку или, наоборот, воздержитесь от того-то и того-то, поупражняйтесь с таким-то специальным интеллектуальным упражнением, почитайте перед сном то-то. И пожалуйста, вам практически гарантированы осознанные сны. Или, наоборот, вы сегодня не запомните ни одного сновидения, но зато хорошо выспитесь. Это можно будет заранее спрогнозировать и выбрать. Не на уровне какой-то фантастики, а как нечто вполне достижимое, я такие сцены вполне себе представляю. Конечно, на это, может быть, уйдет сотня-другая лет из-за того, что приоритетными будут оставаться, скорее всего, другие научно-прикладные сферы. Но фактически это уже у нас в руках.

И в заключение я хочу сделать указание и намекнуть на то, что мы будем обсуждать далее. Я специально красным выделил вот эту фразу (см. слайд). Кстати говоря, я не зачитываю то, что здесь на слайде записано — вы можете самостоятельно и почитать, и покликать на ссылки, изучить. Потому что эта тема сложна и многообразна, и за один слайд многого не расскажешь. Но я хочу закончить на следующем.

Важно, что есть такие популяции нейронов, дефекты в которых полностью объясняют, например, нарколепсию и некоторые виды SOREMPs. То есть к чему я это вообще всё рассказываю? К тому, что уже на следующем слайде мы посмотрим на гипнограммы людей, кто спит как обычно, или с SOREMPs на фоне нарколепсии, или у кого сон нарушен, например, депрессией. И если бы я не рассказал про эти популяции нейронов и то, как они между собой взаимодействуют, то мне было бы сложно объяснить, а почему, скажем, у человека на фоне депрессии столько микропробуждений, он просыпается и не может заснуть, а фаза БДГ подавлена и раздроблена? А сейчас, если не на этой более сложной схеме, понятно, что я не буду вступать в излишние сложности, но хотя бы в виде простейшей структуры популяций нейронов нам уже можно будет представить, что в какую-то из групп просто «наливают» или наоборот «выкачивают», грубо говоря, какой-то нейромедиатор.

Депрессия, допустим, это может быть недостаток серотонина или даже избыток того же ацетилхолина, который нас побуждает к тому, чтобы мы решали какую-то проблему, используя интеллект, память и так далее. Или, допустим, если у человека накопилась усталость, то вот на него навалилась гамма-аминомасляная кислота, и он спит беспробудно. То есть, я хочу сказать, откуда берутся все эти искажения? Да вот оттуда, что какой-то нейромедиатор, то есть химическое соединение, в какой-то популяции нейронов (а это иногда буквально микроскопическая точка), просто начинает либо больше, либо меньше нормы продуцироваться, синтезироваться, активироваться и так далее. Вот и всё. И бывает, что всего одна такая популяция, как в случае с нарколепсией и орексином, одна группочка может полностью исказить всю картину.

Точно так же, как, представьте, вот у нас есть политические партии и одна группа нейронов, то есть партия, получает вдруг невероятную фору и поддержку у избирателей, грубо говоря. Предположим, появился какой-то невероятный лидер или какое-то событие произошло, которое сильно привлекло общественное внимание. И всё — возможно революция. То есть жизнь государства за счет всего одной какой-то небольшой политической группы серьезно и кардинально изменится. То же самое происходит и со сном.

И на следующем слайде мы уже посмотрим такие примеры.

А. С.,
21.09.2022

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.