Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Сравнительное изучение цикла бодрствование-сон при тотальной депривации сна

ВАК РФ 03.00.13, Физиология

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Элиава, Марина Ираклиевна, Санкт-Петербург

б!" 99-3/204- //

¿^АДЕМИЯ НАУК РОССИИ ИНСТИТУТ ЭВОЛЮЦИОННОЙ ФИЗИОЛОГИИ И БИОХИМИИ

им. И.М.СЕЧЕНОВА

АКАДЕМИЯ НАУК ГРУЗИИ ИНСТИТУТ ФИЗИОЛОГИИ ЧЕЛОВЕКА И ЖИВОТНЫХ им. И. БЕРИТАШВИЛИ

На правах рукописи

Элиава Марина Ираклиевна М —

Сравнительное изучение цикла бодрствование сон при тотальной депривации сна.

03.00.13 - физиология человека и животных

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научные руководители: засл.деятель науки РФ д.б.н., проф. И.Г. Карманова д.б.н., академик АН Грузии, Т.Н. Ониани

С анкт-Петербург 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................................................4

I. ОБЗОР ДАННЫХ ЛИТЕРАТУРЫ 10

1.1. Некоторые аспекты нейрофизиологического изучения цикла бодрствование-сон...........................................................................................................10

1.2. Сравнительный и эволюционный аспекты в изучении сна у млекопитающих и некоторых домлекопитающих представителей позвоночных...................................................................................................................12

1.3. Эффекты деприваций сна........................................................................................22

II. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ОБРАБОТКИ ПОЛУЧЕННЫХ ДАННЫХ 30

2.1. Объекты исследований............................................................................................30

2.2. Подготовительные работы.....................................................................................30

2.3. Методика вживления хронических электродов в структуры

переднего мозга..............................................................................................................30

2.4. Проведение эксперимента и обработка

полученных данных........................................................................................................31

III. АНАЛИЗ ЦИКЛА БОДРСТВОВАНИЕ-СОН КРЫС ЛИНИИ ВИСТАР В НОРМЕ И ПОСЛЕ ДЕПРИВАЦИЙ СНА РАЗЛИЧНОЙ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ 36

3.1. Организация цикла бодрствование-сон крыс линии Вистар в норме.

3.2. Влияние 6-ти и 12-ти часовых деприваций сна на цикл бодрствование-

сон крыс линии Вистар....................................................................................................41

3.2.1. Влияние 6-ти и 12-ти часовых деприваций сна на цикл бодрствование-сон крыс линии Вистар во время депривации сна..................41

3.2.2. Влияние 6-ти часовой депривации сна на цикл бодрствование-сон крыс линии Вистар.................................................................................................45

3.2.3. Влияние 12-ти часовой депривации сна на

цикл бодрствование-сон крыс линии Вистар......................................................55

3.2.4. Влияние 6-ти и 12-ти часовой депривации сна на спектральные характеристики ЭЭГ медленноволнового и

парадоксального сна крыс линии Вистар...........................................................62

ОБСУЖДЕНИЕ ПОЛУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА.....................................................64

ВЫВОДЫ..........................................................................................................................68

IV. АНАЛИЗ ЦИКЛА БОДРСТВОВАНИЕ-СОН МОРСКИХ СВИНОК В НОРМЕ И ПОСЛЕ ДЕПРИВАЦИЙ СНА РАЗЛИЧНОЙ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ 70

4.1. Организация цикла бодрствование-сон морских свинок в норме.......................70

4.1.1. Влияние адаптации к условиям проведения эксперимента

на цикл бодрствование-сон морских свинок.......................................................76

4.2. Влияние 6-ти и 12-ти часовых деприваций сна на цикл бодрствование-

сон морских свинок.........................................................................................................78

4.2.1. Влияние 6-ти и 12-ти часовых деприваций сна на цикл бодрствование-сон морских свинок во время депривации сна.......................78

4.2.2. Влияние 6-ти часовой депривации сна на

цикл бодрствование-сон морских свинок..........................................................81

4.2.3. Влияние12-ти часовой депривации сна на

цикл бодрствование-сон крыс морских свинок..............................................83

4.2.4. Влияние 6-ти и 12-ти часовой депривации сна на спектральные характеристики ЭЭГ медленноволнового и парадоксального сна морских свинок .........................................................89

ОБСУЖДЕНИЕ ПОЛУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА......................................................91

ВЫВОДЫ..........................................................................................................................94

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..............................................................................................................96

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 100 ЛИТЕРАТУРА..............................................................................................................102

ВВЕДЕНИЕ.

Актуальность исследования. Изучение центральных механизмов интеграции состояний цикла бодрствование-сон является важным направлением современной нейрофизиологии. И в этом плане анализ эффектов полной (тотальной) и избирательной (селективной) депривации (лишения) сна (Jouvet et al., 1964, Agnew et al., 1967, Dement, 1972, Rechtshaffen et ai, 1983, Franken et al., 1991) представляет собой один из методов, позволяющих приблизиться к пониманию механизмов генеза и регуляции бодрствования, медленноволнового (MC) и парадоксального (ПС) сна. В последние годы данный метод нашел свое применение в клинических условиях при лечении различных нарушений сна у людей (Левин, 1994, Riemann et al., 1995, Ebert, Berger, 1998).

Влияние депривации сна наиболее полно изучено на животных, относящихся к группе «хорошо» спящих (кошка, крыса), цикл бодрствование-сон которых характеризуется высокой суточной представленностью MC и ПС, четкими электороэнцефалографическими и поведенческими признаками сна, регулярностью смены фаз и состояний и стабильностью цикла бодрствование-сон в целом. Вместе с тем в экспериментальных данных по этому вопросу встречаются и противоречия. Так, по мнению ряда авторов (Agnew, Webb, 1967, Ониани, 1985, Kamphuisen et al., 1992), тотальная депривация сна приводит к отдаче MC и увеличению представленности дельта-колебаний в спектрах ЭЭГ на фоне указанной фазы сна. В то же время, другие исследователи не подтверждают этот факт (Franken et al., 1991, Travis et al., 1991). Согласно

данным Рехтшаффена и др. продолжительное лишение сна приводит, главным образом, к резкому увеличении представленности ПС, а отдачи МС не наблюдается (Rechtshaffen et al., 1989).

У «плохо» спящих животных (морская свинка, кролик, шиншилла) особенности цикла бодрствование-сон и влияние на него депривации сна изучены мало. Установлено (Pellet, Beraud, 1968, Tobler 1994), что у этих млекопитающих объемы МС и ПС незначительны, сон фрагментарен и нестабилен. Некоторые авторы, отмечая превалирование в цикле бодрствование-сон морской свинки бодрствования, рассматривают это как проявление у животных своеобразной бессонницы, обусловленной экологическими условиями обитания вида в природе (Pellet et al., 1968). Следует отметить, что в цикле бодрствование-сон детенышей морской свинки помимо бодрствования, МС и ПС было выявлено еще одно состояние - обездвиженность типа каталепсии (Аристакесян,1997), расцениваемое как одна из форм охранительно-пассивного поведения. У взрослых животных данное состояние никем не было идентифицировано. Вместе с тем, обездвиженность подобного рода присутствует в цикле бодрствование-сон холоднокровных позвоночных и рассматривается как одна из форм первичного сна (Карманова, 1977), являющаяся эволюционным предшественником сна животных и гипнотической стадии (ГС), которая может проявляться в цикле бодрствование-сон у птиц и млекопитающих. Показано (Карманова, 1996), что представленность состояния обездвиженности типа каталепсии в эволюционном ряду позвоночных в цикле бодрствование-сон уменьшается. Однако, при патологических отклонениях в сторону преобладания

охранительно-пассивных форм поведения состояние обездвиженности типа каталепсии может проявляться в виде эпизодических приступов даже в цикле бодрствование-сон человека (Карманова 1983, 1987). Подобный возврат к филогенетически древней форме обездвиженности рассматривается как функциональный распад (диссолюция) цикла бодрствование-сон вследствие нарушения деятельности ЦНС. Возврат к древним формам пассивно-оборонительных рефлексов описан также и у крыс при иммобилизации (Богословский, 1989). В связи с этим, одна из целей нашего исследования заключалась в том, чтобы попытаться установить, не вызовет ли депривация сна каких либо признаков диссолюции цикла бодрствование-сон у «хорошо» спящих животных, характеризующихся стабильной структурой цикла, а также у тех млекопитающих, цикл которых нестабилен и в нем, возможно, представлено состояние обездвиженности типа каталепсии, как древняя форма пассивно-оборонительного рефлекса.

Цель и задачи исследования. Основной целью работы явилось сравнительное исследование эффектов депривации сна у крыс и морских свинок. При этом ставились следующие задачи:

1. Изучить динамику электрической активности структур головного мозга крыс линии Вистар и морских свинок в цикле бодрствование-сон до депривации сна и в постдепривационный период.

2. Определить, не вызывает ли депривация сна распада (диссолюции) цикла бодрствование-сон у крыс и морских свинок.

3. Исследовать, присутствует ли в норме в цикле бодрствование-сон «хорошо» и «плохо» спящих млекопитающих состояние обездвиженности типа каталепсии, и если присутствует, то как на него влияет депривация сна.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. 6-ти и 12-ти часовая депривация сна приводит к однонаправленным изменениям структуры цикла бодрствование-сон у крыс и морских свинок в постдепривационный период: у животных снижается фрагментарность сна и возрастает количество полных циклов сна с полноценной представленностью фаз МС и ПС.

2. При практически полной замене состояния МС активным поведенческим бодрствованием в период депривации, в постдепривационный период, наблюдается, главным образом, возрастание суммарной продолжительности МС. При этом, в спектрах ЭЭГ отмечается увеличение представленности дельта-колебаний, что, по-видимому, указывает на усиление таламо-кортикальной синхронизации.

3. В экспериментах, в которых, при подбуживании животных МС сохранялся в значительных объемах, эффект депривации выражается преимущественно, в возрастании суммарной продолжительности ПС в постдепривационный период. При этом наблюдается некоторое уменьшение представленности волн дельта-диапазона в ЭЭГ на фоне МС, что, возможно, объясняется достаточно высокой активностью системы запуска ПС.

4. В цикле бодрствование-сои у морских свинок в норме на основании ЭЭГ- и поведенческих показателей выявляется естественно возникающее состояние обездвиженности типа каталепсии. Установлено, что после 6-ти часовой депривации сна наблюдается редукция данного состояния, что вероятно, связано с усилением функционирования системы МС. Научная новизна исследования.

1. Установлено, что 6-ти и 12-ти часовое лишение сна приводит к однонаправленным изменениям структуры цикла бодрствование-сон у крыс и морских свинок: у животных снижается фрагментированность сна и возрастает количество полных циклов сна. Такого рода консолидацию отдельных фрагментов и фаз МС и ПС в полные циклы сна происходит по-видимому вследствие усиления деятельности синхронизирующих систем мозга.

2. Выявлено, что динамика состояний цикла бодрствование-сон и нейрофизиологические характеристики сна у крыс в постдепривационный период обусловлены степенью исключения МС во время процедуры депривации сна.

3. Впервые показано, что в цикле бодрствование-сон морских свинок в норме проявляется состояние обездвиженности типа каталепсии, которое практически полностью редуцируется после депривации сна. Теоретическое и практическое значение работы.

Полученные в работе материалы представляют интерес для общей нейрофизиологии, поскольку позволяют раскрыть некоторые закономерности причинно-следственных отношений между медленноволновым и

парадоксальным сном. Результаты исследований эффектов 6-ти и 12-ти часовой деприваций сна могут быть использованы в экспериментальной физиологии при изучении механизмов регуляции состояний цикла бодрствование-сон у млекопитающих, в частности, при анализе сна у представителей "плохо" спящих млекопитающих.

Результаты исследований могут послужить основой разработки методов применения депривации сна в клинических условиях, а также при анализе причин расстройств цикла бодрствование-сон у людей.

Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на заседаниях физиологического общества Грузии (Тбилиси, 1993, 1998), 14-м Конгрессе Европейского общества исследований сна (Мадрид, 1998). Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ.

I. ОБЗОР ДАННЫХ ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ НЕЙРОФИЗИОЛОГИЧЕСКОГО ИЗУЧЕНИЯ МЕХАНИЗМОВ ЦИКЛА БОДРСТВОВАНИЕ-СОН.

Нейрофизиологические исследования, с целью изучения механизмов регуляции бодрствования и сна поначалу были основаны на эффектах повреждения и экспериментальной стимуляции. Важнейшую роль в исследовании структур, имеющих отношение к генезу медленноволнового сна (MC) и бодрствования сыграли работы с перерезками мозга на разных уровнях и электростимуляциями различных структур мозга (Berger, 1929, Bremer 1935, Bremer 1936, Ranson 1939, Moruzzi, Lindsley et al., 1949, Magoun, 1949, Batini et al., 1959, Segundo et al, 1955, Jouvet, Renault 1966). В настоящее время медленноволновой сон рассматривают как результат интегрированной деятельности систем ствола мозга и периорбитальной коры, которая ведет к снижению активности восходящей ретикулярной активирующей системы среднего мозга и усилению таламокортикальной синхронизации. После классических работ Бергера и Бремера долгое время считалось непоколебимым положение о том, что сонное состояние в отличие от состояния бодрствования характеризуется исключительно синхронной медленноволновой активностью. Отождествление ЭЭГ синхронизации исключительно со сном стало невозможным в связи с открытием фазы парадоксальной сна (ПС) (Цкипуридзе, 1950, Aserinsky, Kleitman 1953, Hess et al. 1953, Jouvet, Mischel, 1953). Дальнейшие эксперименты с повреждениями показали, что нервные субстраты

этого состояния локализованы в мостовой ретикулярной формации (Jouvet, 1962, Hobson et al, 1974, Rossi et al., 1963, Sacai 1982, Steriade, 1982), и что в генезе этой фазы сна также принимают участие структуры, регулирующие эмоциональные и мотивационные процессы (Hartmann, 1973, Hartmann et. al., 1973., Jouvet, 1967, Ониани, 1973, Ониани и др., 1974).

При исследовании механизмов регуляции цикла бодрствование-сон особую популярность приобрел метод депривации (лишения) сна. Использование этого метода основано на анализе динамики электрической активности мозга во время различных состояний цикла, а также временного распределения бодрствования, медленноволнового и парадоксального сна у сон-депривированных субъектов после экспериментального лишения сна. Широкое применение этого метода привело к развитию ряда методик депривации сна. Среди них - метод селективной депривации парадоксального сна Жуве (water tank method) (Jovet et al., 1964), метод сенсорной стимуляции (звук, тактильное раздражение) (Dement I960., Williams et al. 1964, Dijk, Beersma, 1989), непосредственная электрическая стимуляция подкорковых структур (Ониани и др., 1984., Detari et al, 1993), холодовая депривация (Amici et al., 1994), метод вращающегося над поверхностью воды диска (disk over water method) (Bergmann et al, 1989), метода вынужденного перемещения (forsed locomotion) (Trachsel et al., 1986). Известны также эксперименты, когда сон у животного предотвращали, играя с животным (Тobler, Scherschlicht, 1990). Игра, как способ поддержания испытуемых в состоянии бодрствования была использована и в экспериментах на людях (Kamphuisen et al., 1992).

В последние годы при исследовании влияния депривации сна на цикл бодрствование-сон приобрел популярность метод мягкого подбуживания (gentle handling), который состоит в подбуживании при помощи сенсорных раздражителей (тактильной стимуляции). Этот метод некоторые авторы считают наименее стрессорным, позволяющим сохранять у животных естественный паттерн поведения во время экспериментального лишения сна (Tobler et al. 1990., Franken et al., 1991). Анализируя различные методические подходы к депривации сна в последние годы, можно отметить стремление исследователей понизить стрессорность сон-депривирующих воздействий и максимально корректно осуществить исключение сонного состояния из цикла бодрствование-сон.

1.3. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ И ЭВОЛЮЦИОННЫЙ АСПЕКТЫ В ИЗУЧЕНИИ СНА У МЛЕКОПИТАЮЩИХ И НЕКОТОРЫХ ДОМЛЕКОПИТАЮЩИХ ПРЕДСТАВИТЕЛЕЙ ПОЗВОНОЧНЫХ.

Несмотря на значительное число исследований и обширный экспериментальный материал, связанный с изучением физиологических механизмов генеза и регуляции ЦБС, много кардинальных вопросов в области исследований сна остаются неразрешенными. Один из них - происхождение сна и его фаз. Внести ясность в эту проблему помогает сравнительно-физиологическое изучение циркадной периодики поведенческих, вегетативных, электрофизиологических показателей состояний активности и покоя у

представителей как млекопитающих и птиц, так и у домлекопитающих позвоночных (амфибии, рыбы, рептилии).

Особенности состояния сна или покоя амфибий впервые были изучены Хобсоном (НоЬбоп, 1967, НоЬбоп е1 а!., 1968). Исследования были проведены у нескольких видов квакш и у лягушки-быка. Состояние покоя у перечисленных амфибий не сопровождалось синхронизацией ЭЭГ и повышением порога пробуждения - двумя важнейшими характеристиками сна млекопитающих. Автор не счел возможным идентифицировать это состояние как сон. При регистрации электропо