Изучение сущности сна

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Наука о сне не может похвастаться своим возрастом. По существу, исследованиями работы мозга ученые занялись только последние сто лет. Любые попытки человека обойтись долгое время без сна безуспешны -организму необходим сон - время для восстановления сил и накопления запасов для последующей активности.

Всем известно, что во сне мы проводим треть жизни, а люди, лишенные сна, погибают через 10-12 дней. Бессонница очень мучительна, и не случайно в Древнем Китае приговаривали к смертной казне за лишение сна. В современной жизни много вредных факторов, влияющих на организм: нарушение экологии, быстрые темпы жизни, неправильное питание, постоянные стрессы, нарушение режима дня. Под их влиянием человек чувствует себя подавленным, его психика ухудшается, уровень здоровья понижается. Быстрые темпы жизни не дают полноценно следить за своим самочувствием. Часто из-за нехватки времени мы нарушаем режим сна, что довольно пагубно влияет на организм.

Поэтому целью данного литературного обзора было описание сна как жизненно важного активного процесса, а также последующее изучение существующих моделей сна, для возможности оптимизации лучшего варианта отдыха для человека или же выявления отклонений от нормы в каких-либо системах организма по наличию артефактов.

1. История

Вначале обратимся к истории науки сомнологии. Издревне люди верили, что во время сна душа отделяется от тела и улетает в другие мира, и всё то, что там происходит, мы видим в своих снах.

И первый человек который заявил, что сон не бесполезен и пытался это объяснить с точки зрения науки, была М.М. Манассеина, о которой нельзя не упомянуть, потому что именно она была основоположником двух наук- биохимии и сомнологии[3], но в последствии была забыта.Дальнейшие исследования были проделаны благодаря открытию энцефалограммы. Изучая её, учёные обнаружили некоторые вклинивания высокочастотных низкоамплитудных волн “бодрствования” в медленном сне, который можно охарактеризовать низкочастотными высокоамплитудными волнами- так был открыт “парадоксальный сон”.

Ещё одно доказательство того, что во время сна мозговая активность не снижается, а остаётся на уровне, представлено на рис.1

Рис. 1 Активность нейронов различных областей мозга во время сна, доказывающая что сон - активный процесс

Каждая черта-это электрический разряд. На рисунке видно, что в различных областях мозга активность по-разному меняется от бодрствования к быстрому сну, поэтому в сумме во всех трёх состояниях активность мозга не снижается.

Далее было выяснено, что мозг засыпает по частям. Высшая степень разума -это ассоциативные зоны мозга и было изучено, что первыми отключаются во время сна именно они. И чем больше человек не спит и давление сна на него возрастает всё больше и больше, тем быстрее нейроны переходят в состояние, показанное на первой линии в медленном сне рисунка 1[3].

Интересен вопрос об изучении изменения сна в зависимости от возраста человека. Для наглядности можно обратиться к рисунку 2,где показано, что у детей много быстрого сна, который ему нужен постоянно, а с возрастом под воздействием внешних факторов наш сон принимает однофазный вид, с наличием как быстрого, так и медленного сна[5].

Рис. 2 Изменение количества и “фазности” сна человека в зависимости от возраста человека

Биологические ритмы человека

Для описания моделей сна в данной работе, прежде всего нужно дать опредления некоторым понятиям, которые будут использоваться в последствии.

Биологические ритмы -- периодически повторяющиеся изменения характера и интенсивности биологических процессов и явлений.

В зависимости от критериев, положенных в основу, ритмы классифицируют:

I. По длине периода

Циркадианные ритмы - с периодом около 24 часов - наиболее изучены. Это так называемые “внутренние часы” человека, которые зависят от многих параметров, действие которых схематично изображено на рисунке 3.

Рис. 3 Параметры влияющие на циркадный ритм человека

Причина их столь широкой известности этого ритма состоит отчасти в том, что они наиболее распространены (достаточно сказать, что суточные ритмы наблюдаются почти у всех живых организмов), а отчасти в том, что наблюдать менее продолжительные явления проще, чем длящиеся месяц или год.

Свое название циркадианные ритмы получили в связи с тем, что после искусственного устранения синхронизирующего фактора (т.е. создания постоянных условий), отмечалось сохранение ритма с периодом несколько отличающимся от исходных значений, т.е. биологические ритмы живых организмов не совпадали строго по времени с ритмическими колебаниями в природе и укладывались в период, несколько больший, чем 24 часа. Поэтому их назвали околосуточными или циркадианными (от лат. circa приблизительный и dies - день).

Понятие суточного ритма относится строго к 24-часовому. Этот ритм связан с вращением Земли вокруг своей оси. Понятия "дневной" и "ночной" нельзя применять в сочетании со словом "ритм", так как они относятся к конкретным частям суток, а не определяют длину периода. В англоязычной литературе слова, аналогичного русскому "сутки", нет, поэтому для 24-часового ритма применяют искусственный термин dian (rhythm), а для отрезков суток - diurnal и nocturnal.

Эти ритмы представляют наибольший интерес для.

Биоритмы человека с периодами короче циркадианных назвали ультрадианными, а длиннее - инфрадианными.

Ультрадианные ритмы - околочасовые. Это короткие ритмы, границы которых точно не установлены. Были открыты более 30 лет тому назад. Ультрадианные ритмы известны для многих свойств клетки: синтеза белка и его этапов,, активности ферментов (изучено около 20 в разных клетках), концентрации АТФ, дыхания клеток, рН цитоплазмы и др. Известны органные околочасовые ритмы.

Инфрадианные ритмы - с периодом более 24 часов. Среди них выделяют:

-циркасептанные ритмы - с периодом 7 ± 3 сут

-циркадисептанные - 14 ± 3 сут

-циркавигинтанные - 21 ± 3 сут

-циркатригинтанные - 30 ± 5 сут

-цирканнуальные ритмы - 1 год ± 2 мес

I. 1. Авторские классификации биоритмов по длине периода

Классификация F. Hallberg (1969 г.) - по частотам колебаний, т.е. по величине, обратной длине периодов ритмов. F. Hallberg разделил ритмы по зонам:

-Высокочастотная зона - ультрадианные ритмы (длина периода до 20 ч);

-Среднечастотная зона - циркадные ритмы (длина периода 20-28 ч), инфрадианные ритмы (28-72 ч);

-Низкочастотная зона - циркасептанные (длина периода 7 ± 3 суток), циркадисептанные (14 ± 3 суток), циркавигинтанные (20 ± 3 суток), циркатригинтанные (30 ± 3 суток), цирканнуальные ритмы (12 ± 2 месяцев).

Классификация Г. Хильдебранта(1993г.)-на рисунке 4 приводятся биологические ритмы, размещённые в границах, соответствующих ритмическим процессам в организме человека, позволяющие произвести реальную их оценку.

Рис. 4 Спектры периодичности ритмических функций человека

Циркадные ритмы в свою очередь можно тоже классифицировать.

По классификации доктора Гилема Перемарти[7] люди разделяются на:

-тех кто долго/ мало спит

-на жаворонков /сов

-на тех, кто имеет сон с жёстким/гибким графиком

Одним из главных вопросов ещё со времён Павлова-это существование в мозге “центров сна”. Изучение нейронов, участвующих в регуляции сна-бодрствования, показало что нормальное функционирование коры мозга возможно только при наличии сильных тонческих воздействий со стороны определённых подкорковых структур. Благодаря этим воздействиям мембрана большинства кортикальных нейронов в бодрствовании деполяризована.Только в этом состоянии нейроны способны обрабатывать и отвечать на сигналы, приходящие к ним от других нервных клеток. Таких систем активации мозга несколько и локализуются они на всех уровнях мозговой оси. В качестве молекул-передатчиков нейроны этих отделов мозга выделяют глутаминовую и аспарагиновую кислоты, ацетилхолин, норадреналин, дофамин, серотонин и гистамин[5]. Было предположено.что если есть “центры бодрствования”,то есть и “центры сна”. Но детальное изучение показало, что в систему поддержания бодрствования встроены тормозные механизмы, которые представляют собой нейроны, которые тормозят активирующие нейроны. Эти нейроны разбросаны по всем отделам мозга и их активирующим веществом являются гамма- аминомасляные кислоты.

Таким образом, как только активирующие нейроны ослабляют своё действие, включаются тормозные нейроны, которые ослабляют их действие ещё больше. Так развивается процесс постепенного углубления сна, пока не срабатывает некий переключатель и наступает бодрствование либо парадоксальный сон, механизмы которого будут описаны далее.

С точки зрения нейронной активности бодрствование можно описать, как состояние тонической деполяризации, а медленный сон-это состояние тонической гиперполяризации.

Схематически переход от одного цикла бодрствование -сон к другому представлен на рисунке 5.

Рис. 5 Цикл сон-бодрствование

Совершенно по-другому функционирует парадоксальный сон. Он запускается из центра,расположенного в задней части мозга, химическими передатчиками сигналов которого являются ацетилхолин и глутаминовая кислота. Во время парадоксального сна клетки мозга чрезвычайно активны, но информация от органов чувств у ним не поступает и сигналы на мышечную систему не подаются. В этом и заключается парадоксальный характер этого состояния.

2. Стадии сна

Разделив день человека на сон и бодрствование нужно углубиться в вопрос о стадиях сна. После процесса бодрствования, когда давление сна критическое, альфа-ритм ЭЭГ исчезает, уступая место мелким, быстрым, нерегулярным волнам, в то время как на ЭОГ видны медленные колебания, соответствующие вращательным движениям глаз, наступает первая стадия сна. Эта фаза переходная между бодрствованием и сном. Вскоре возникают большие волны, перекрываемые вспышками быстрой активности, называемой “сонными веретенами”. Время от времени также появляются большие медленные волны - так называемые K-комплексы. Мышечное напряжение уже значительно ниже, чем при бодрствовании, глаза неподвижны. Всё это характерные признаки второй стадии, первое появление которых рассматривается многими исследователями как момент наступления истинного сна. Это важный вид сна, так как занимает больше половины времени всего сна. Затем волны ЭЭГ увеличиваются и замедляются. Эти медленные колебания, имеющие частоту 1-4 цикла в секунду, называются дельта -волнами. Такой сон характерен для третьей стадии. Если дельта- волны занимают 20 % времени записи сна, то сон переходит в 4 стадию. Стадии три и четыре вместе часто называют дельта -сном, или глубоким медленным сном.[4] Затем на ЭЭГ видны небольшие быстрые колебания, на ЭОГ присутствуют броски пера, соответствующие быстрым движениям глаз, мышечный тонус отсутствует. Это новый период- парадоксальный сон. За ночь можно наблюдать несколько таких циклов, при этом медленный сон больше всего выражен в первых двух циклах, хотя парадоксальный удлиняется от цикла к циклу в течение ночи. Один такой типичный цикл длится около 90 минут.

Если эти стадии рассматривать с точки зрения ощущений человека, то их можно описать следующим образом:

Первая стадия. Человек чувствует дремоту с полусонными мечтаниями и сноподобными галлюцинациями. В этой стадии могут интуитивно появляться идеи, способствующие успешному решению той или иной проблемы.

Вторая стадия. На этой стадии появляется сигма-ритм, который представляет собой учащённый альфа-ритм (12--14--20 Гц). С появлением «сонных веретён» происходит отключение сознания; в паузы между веретёнами (а они возникают примерно 2--5 раз в минуту) человека легко разбудить. Повышаются пороги восприятия. Самый чувствительный анализатор -- слуховой (мать просыпается на крик ребёнка, каждый человек просыпается на называние своего имени).

Третья стадия. Характеризуется всеми чертами второй стадии, в том числе наличием «сонных веретён», к которым добавляются медленные высокоамплитудные дельта-колебания (2 Гц).

На 4 стадии преобладают дельта-колебания (2 Гц). В это время человека разбудить очень сложно; возникают 80 % сновидений, и именно на этой стадии возможны приступы лунатизма и ночные кошмары, однако человек почти ничего из этого не помнит.

5 стадия - быстрый сон. Предполагают, что быстрый сон обеспечивает функции психологической защиты, переработку информации, ее обмен между сознанием и подсознанием.

Рис. 6 Стадии сна на ЭЭГ, ЭМГ и ЭОГ

1 модель - стоит обратиться к описательной двухмаятниковой модели, придуманной французским доктором Гилемом Перемарти.

По его модели количество и качество сна имеют три параметра, которые варьируются день ото дня и от одного человека к другому. Они зависят от жизненных условий(работа, климат, питание ) и индивидуальных характеристик спящего. Сомнологические характеристики определяют типологию спящего.

Хронобиологический баланс человека зависит от эквивалента между его поведением во время бодрствования и генетических характеристик. Баланс же сна повинуется системе двойного маятника.1-циркадный маятник- модулирует давление сна в соответствии с тем, какое время на внутренних часах человека в рассматриваемый момент времени. Второй маятник, гомеостатический, зависит с одной стороны от индивидуальных потребностей во сне, и с другой стороны- от внешних ограничений. В норме, пробуждение и сон следуют друг за другом, и следовательно, этот ритм находится в балансе с дневным- ночным кругом. Хаотическое движение начинается после изменения в периоде одного из маятников-оно аналогично состояниям внешней разобщённости, встречающейся у людей, которые страдают, например, от невозможности адаптироваться к сменной работе, общей анастезии и др. Внешние разобщённости выражаются через жалобу на усталость или сонливость.

Рис.7 Двухмаятниковая модель

На рисунке три представлена двухмаятниковая модель. На левой стороне фигуры- циркадный маятник, который ведёт себя как внутренние часы, которые будут открывать(закрывать снова) ворота сна в некоторые благоприятные для сна моменты времени. Циркадная организация (24 часа) сонливости зависит от изменений температуры тела человека(которая колеблется вокруг 36.5 с минимумом в середине ночи и максимумом в конце дня[7]. Они являются одним из главных определителей открытия-закрытия ворот сна. Ритм циркадного маятника(измеренный в цикле человеческой температуры) зависит от активности мозгового гормона- мелатонина, секретируемого под действием ферментов, которые активизируются воспринятым светом. На правой стороне фигуры- гомеостатический маятник,который можно сравнить с простыми песочными часами, которые переворачиваются после накопления определённого количества сна или бодрствования. В адаптационных равновесных зонах маятника, длительность каждого периода пропорциональна предшествующим.

Внешние факторы(свет, тепло, еда и социальные контакты)-это процесс синхронизации сна с дневным и ночным чередованием.

Сила воздействия между двумя маятниками и инерцией всей системы определяет способность адаптироваться к нерегулярным ночным графикам. Равновесная зона соответствует границам,за которыми движение становится хаотическим(непредсказуемым). Параметры равновесной зоны устанавливают гибкость-жёсткость типологии спящего.

2 модель

2 модель -комбинированная- была придумана национальным институтом здоровья.

Рис.8 Комбинированная модель

Комбинированная модель состоит из трёх блоков: циркадного осциллятора, REMS-осциллятора и гомеостата сна. Циркадный осциллятор представляет собой биологические часы, влияние на которые оказывает супрахиазмальное ядро(рис.9) в гипоталамусе.

Рис. 9 Попадание света на супрахиазмальное ядро

Как показано на рисунке 8 и 9, циркадный осциллятор напрямую зависит от света, а это,в свою очередь, влияет как на REMS- осциллятор, так и на гомеостат.

Формулы, приведённые ниже, показывают как параметры C и Cc изменяются под влиянием внешнего света интенсивности I.

В указанных формулах С- постоянная циркадная переменная, а Сс- дополнительная. Параметр С напрямую зависит от света (при увеличении свечения параметр С тоже увеличивается, и наоборот).

Коэффициент м является «жесткостью» циркадного осциллятора, а k является коэффициентом чувствительности к воздействию света. В этой модели м и k были установлены до 0,26 и 0,025, соответственно[6].

Параметр фс представляет собой естественный период циркадного осциллятора. У взрослого человека он составляет около 24,2 часов.

Процесс A(в следующих двух уравнениях) описывает медленно-волновую активность в ЭЭГ;

а процесс Sя-производная от гомеостатического процесса, описанного в двухмаятниковой модели.

б, в, г, дR и дW все положительные параметры. Каждому из вышеперечисленных параметров ставятся следующие значения соответственно: 0,84, 0,055, 16,98, 14,16 и 60.[6] Параметр AL небольшое положительное число, используемое для ослабления медленных волн, когда человек начинает переходить в состояние бодрствование или REMS.

В этой модели R и W- триггеры, переключающие состояние "REMS" и "бодрствование" в одно из двух устойчивых состояний. Каждый из этих двух триггеров может принимать значения равные 0 или 1( выключение или включение состояния соответственно). REMS триггер срабатывает, когда человек проходит все стадии медленного сна и значение переменной x начинает превышать 1.4

А именно, триггер активируется, когда S(гомеостатический маятник) занимает положение ниже порога L, и триггер дезактивируется, когда S в точке выше верхнего порога H. Верхний и нижний пороги вычисляются из циркадного процесса C следующим образом:

Осциллятор REMS проводит оценку динамики быстрого сна. В работе используется адаптированное взаимодействие предельного цикла модели, предложенного McCarley и Массакуа (1986). Эта модель точно изображает увеличение продолжительности REMS -периодов в течение ночи.

В следующих двух уравнениях описывается поведение х и у процессов в генераторе REMS:

Здесь у-положительная постоянная используется для обозначения временного масштаба колебаний REMS. Положим у равно 6,4486[6] для того, чтобы смоделировать типичный 90-минутный цикл сна человека. Остальные параметры определяются следующим образом:

Cso и Тso представляют уровень C в момент времени t. В данной модели параметры Do и Ew устанавливаются до 0,08 и 0,95, соответственно. Уровень X, требуемого для включения триггера REMS, равен 1.4,как было сказано выше.

Реализация в MATLAB

Оригинальная комбинированная модель была интегрирована авторами на равномерно распределённой временной сетке с шагом (по времени) равным 1 минуте. В представленной реализации в MATLAB, был использован переменный шаг по времени ( ~ 3,5 минуты) в сочетании с действием ” корень-поиск”(в MATLAB) с помощью редактора root locus, связанного со встроенным в MATLAB интегратором ОДУ. Редактор root locus был использован для более точного решения уравнений для сна и бодрствования Из-за характера функций С, Cc, S, A, х и у, был использован интегратор ode15s. Реализация предложенной модели в MATLAB способом, описанным выше, позволила обеспечить лучший контроль за точностью моделирования, увеличением/уменьшением количества сна и снижением времени расчета в связи с более высоким временным шагом.