Ковальзон В.М.

ФГБУ «Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова» РАН, Москва, Россия

Функциональная нейрохимия цикла бодрствование—сон в патогенезе неврологических заболеваний

Журнал: Журнал неврологии и психиатрии им. С.С. Корсакова. Спецвыпуски. 2017;117(4‑2): 5‑11

Просмотров : 1402

Загрузок : 37

Как цитировать

Ковальзон В.М. Функциональная нейрохимия цикла бодрствование—сон в патогенезе неврологических заболеваний. Журнал неврологии и психиатрии им. С.С. Корсакова. Спецвыпуски. 2017;117(4‑2):5‑11.
Kovalzon VM. Functional neurochemistry of sleep—waking cycle in pathogenesis of neurological diseases. Zhurnal Nevrologii i Psikhiatrii imeni S.S. Korsakova. 2017;117(4‑2):5‑11. (In Russ.).
https://doi.org/10.17116/jnevro2017117425-11

Авторы:

Ковальзон В.М.

ФГБУ «Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова» РАН, Москва, Россия

Все авторы (1)

Несмотря на «адресный» характер доставки большинства нейромедиаторов к определенным нейронам, их связывания с рецепторными белками, обратного захвата и утилизации, часть из них сохраняется в течение некоторого промежутка времени и диффундирует по межклеточной жидкости, что позволяет говорить о биохимической среде головного мозга в целом. Это среда в трех базисных состояниях бодрствования (собствнно бодрствование, медленный и быстрый сон​1​᠎) имеет кардинальные различия (табл. 1) [1—3]. Как видно из табл. 1, в фазе бодрствования межклеточная жидкость насыщена медиаторами, которые оказывают главным образом активирующее (деполяризующее) действие на постсинаптическую мембрану.

Таблица 1. Упрощенная схема выделения основных медиаторов головного мозга в цикле бодрствование—сон Примечание. ↑ — повышение выделения; ↑↑ — значительное повышение выделения; ↓— снижение выделения; ↓ ↓ — значительное снижение выделения; → — постепенное понижение/повышение выделения; ↔ — выделение прекращается.

Орексины (гипокретины) представляют собой два олигопептида, образующиеся из одного общего полипептидного предшественника — проорексина, который в свою очередь является фрагментом еще более длинного белка — препроорексина; последний выделяется нейронами, расположенными в перифорникальной (заднелатеральной и дорсомедиальной) области гипоталамуса. Орексинергические клетки весьма немногочисленны (в головном мозге человека их не более 80 тыс.), но их аксоны сильно ветвятся, иннервируя другие гипоталамические ядра, лимбическую систему, таламус, неокортекс, ствол и спинной мозг. Орексинергические нейроны проецируются, в частности, и на норадренергические клетки голубого пятна, вызывая их деполяризацию — активацию, «подбуживание». Недостаток этой активации приводит к тому, что нейроны голубого пятна приобретают способность внезапно «замолкать» не только во время быстрого сна, но и во время бодрствования, способствуя возникновению приступов нарколепсии/катаплексии [1—4]. Интересно, что клетки «центра сна» в вентролатеральной преоптической области не содержат орексиновых рецепторов, что, по-видимому, повышает надежность гипоталамического «триггера» [5].

Орексинергическая система получает мощные активирующие афференты со стороны глутаматергической системы: прецерулеус/парабрахиалис, дорcомедиального ядра — высшего гипоталамического «командного центра», а также дофаминергических нейронов вентральной покрышки. Активирующие холинергические импульсы поступают на орексинергические нейроны со стороны рострально расположенных ядер базальной области переднего головного мозга — базальные отделы лобных долей (безымянная субстанция и др.). Кроме того, ряд модулирующих пептидов (аргинин-вазопрессин, мозговой холецистокинин, нейротензин, окситоцин) также оказывает активирующее влияние на орексинергическую передачу. Активирует ее и возникновение голода, обусловленное снижением уровня глюкозы и появлением грелина в крови [6, 7].

Тормозные влияния на орексинергическую систему оказываются со стороны серотонинергической системы ядер шва (предположительно, прямые), норадренергической системы голубого пятна (предположительно, опосредуемые ГАМК-ергическими нейронами), ноцицептивных элементов миндалины и, что особенно важно, ГАМК/галанинергического «центра сна» в преоптической области. Подавляет активность орексинергических нейронов повышение уровня глюкозы и появление лептина в крови [6, 8].

Однако наиболее сильное тормозное воздействие испытывает орексинергическая система со стороны так называемой меланинергической системы. Орексиновые нейроны гипоталамуса тесно переплетаются и взаимодействуют с морфологически схожими клетками, содержащими другой пептид-нейромедиатор, называемый меланин-концентрирующим гормоном (МКГ; англ.: melanin-concentrating hormone — MCH). Нейроны, содержащие МКГ, расположены главным образом в латеральном гипоталамусе и zona incerta; небольшая представленность этого пептида выявлена также в ретикулярной формации моста и каудальной части латеродорсальной покрышки. Нейроны, содержащие орексин и МКГ, образуют взаимоперекрывающиеся проекции в вышеперечисленных структурах [9, 10]. Система МКГ является тормозной, реципрокной по отношению к нейронам орексина: МКГ-нейроны не активны в бодрствовании, слабо разряжаются в фазе медленного сна, но весьма активны при быстром сне (тип «REM-on»). У больных нарколепсией система МКГ остается незатронутой; в настоящее время разрушение МКГ-содержащих нейронов рассматривается в качестве одной из возможных причин развития болезни Паркинсона. Считается, что система МКГ ответственна, в частности, за торможение механизмов пробуждения и регуляцию быстрого сна [9—11].

Эффекты орексинергических нейронов опосредуются двумя типами активирующих метаботропных рецепторов. Мыши, дабл-нокаутные по гену препро-орексина или по генам обоих рецепторов (англ.: dual orexin receptor antagonists — DORAs), демонстрируют нарколепто-каталептический фенотип, включающий фрагментацию бодрствования. Центральные и системные введения DORAs вызывают снотворные эффекты с соответствующими изменениями на электроэнцефалограмме (ЭЭГ). Орексинергические нейроны относятся к типу «wake-on», т. е. они весьма активны в период бодрствования (особенно при интенсивных движениях) и почти не разряжаются при медленном и быстром сне. Орексинергические нейроны имеют фазический характер активности в бодрствовании; максимальная частота разрядов у мышей наблюдается при реакциях с положительным подкреплением. У человека максимальный уровень орексина в цереброспинальной жидкости (ЦСЖ) наблюдается при переживании положительных эмоций и при социальном взаимодействии [12, 13].

Нарушение орексинергической передачи наблюдается не только при нарколепсии, но и при болезнях Альцгеймера и Паркинсона, а также при черепно-мозговой травме. Возможно, в этом и заключается причина общего проявления (невозможность длительного поддержания нормального уровня бодрствования) при столь разных видах патологии (табл. 2). Так, для нарколептиков и пациентов с болезнью Паркинсона характерными симптомами являются избыточная дневная сонливость и так называемые атаки сна. Известно, что причиной нарколепсии является потеря орексинергических нейронов, особенно значительная при нарколепсии 1-го типа (с катаплексией); при болезни Паркинсона также происходит их постепенное разрушение. Недавно полученные данные, включающие появление новых случаев нарколепсии после вакцинации антисывороткой H1N1 в Финляндии и других странах, подтверждают природу нарколепсии как аутоиммунного заболевания. Орексинергические нейроны играют важнейшую роль в координации активности аминергических систем головного мозга, интегрируя поступающие циркадианно-оптические импульсы, с одной стороны, и нутриционно-метаболические — с другой. Результаты недавно проведенного исследования [14] показали, что длительная оптогенетическая активация орексинергических нейронов мышей повышает активность оси гипоталамус—гипофиз—кора надпочечников и вызывает стрессовое поведение.

Таблица 2. Нарушение выработки основных нейромедиаторов при некоторых заболеваниях Примечание. ↑ — повышение выделения; ↓ — снижение выделения.

При черепно-мозговой травме у большинства больных отмечается резкое снижение уровня орексина в ЦСЖ, сочетающееся с нарушением бодрствования, но если больной выздоравливает, в течение полугода уровень этого пептида восстанавливается, хотя нарушения могут сохраняться. Возможно, это связано с необратимыми разрушениями гистаминергических нейронов при многих видах травм [14].

При болезни Альцгеймера, как и при болезни Паркинсона, характерными нарушениями бодрствования и сна являются инсомния, фрагментация ночного сна и избыточная дневная сонливость. Известно поражение при этом заболевании таких центров бодрствования, как холинергический (базальные отделы лобных долей) и норадренергический (голубое пятно). Была обнаружена важнейшая роль орексинергических нейронов в патогенезе этого заболевания. Нарастание уровня орексина в ЦСЖ пациентов с болезнью Альцгеймера является предвестником нарушения цикла бодрствование—сон и когнитивных способностей [14].

Аминергические нейроны продуцируют гистамин, серотонин, норадреналин. Гистаминергические нейроны, тела которых локализованы в области туберомамиллярных ядер (ТМЯ) заднего гипоталамуса, серотонинергические нейроны, расположенные в дорсальном ядре шва, и норадренергические — в области голубого пятна ствола головного мозга, характеризуются тесными скоплениями относительно немногочисленных клеток c необычайно обширными восходящими и нисходящими проекциями. Восходящие проекции достигают таламуса, гипоталамуса, базальных ядер переднего мозга и неокортекса. Нисходящие — проецируются на черепные ядра висцеромоторных и соматомоторных нервов. По своим характеристикам вышеупомянутые нейроны относятся к так называемой группе «REM-off»: они тонически разряжаются в бодрствовании, постепенно замедляют частоту разрядов по мере углубления медленного сна и полностью (или почти полностью) прекращают свою активность в фазе быстрого сна. Те препараты, которые способствуют выделению этих трех аминергических медиаторов или тормозят их обратный захват, являются активирующими и подавляют сон. А антагонисты постсинаптических рецепторов этих медиаторов проявляют седативные свойства. Обладая множественными взаимными связями, аминергические системы ствола формируют самоорганизующуюся сеть, своего рода оркестр, в котором орексинергические (гипокретинергические) нейроны играют роль дирижера, а гистаминергические — первой скрипки [3, 5, 15, 16].

Характерные морфологические особенности гистаминергических нейронов: несколько тонких первичных дендритов с перекрывающимися ветвлениями и малыми аксодендритными синаптическими контактами, а также тесный контакт этих дендритов с глией, их проникновение через эпендиму и контакты с ЦСЖ для секреции в нее и получения из нее различных регуляторных веществ. Биохимической особенностью гистаминергических нейронов является необычайное разнообразие маркеров нейротрансмиттерных систем, таких как глутаматдекарбоксилаза (фермент синтеза ГАМК); аденозиндеаминаза (цитопластический фермент, участвующий в инактивации аденозина); множество пептидов: галанин (пептид, солокализующийся с ГАМК и со всеми моноаминами), (Met5)enkephalyl-Arg6Phe7 (пептид, выщепляющийся из белка проэнкефалин-А), субстанции П, тиролиберин и натрий-уретический пептид головного мозга. Также нейроны ТМЯ содержат фермент моноаминоксидаза-B, который деаминирует теле-метилгистамин, основной метаболит гистамина в головном мозге. Наконец, эти нейроны могут захватывать и декарбоксилировать экзогенный 5-окситриптофан (предшественник серотонина), синтезируемый другими клетками. Наличие столь многих сотрансмиттерных функций у одних и тех же нейронов является уникальным свойством ТМЯ. Подобно большинству других активирующих систем, гистаминергическая система ТМЯ устроена по древовидному принципу: небольшое количество крупноклеточных (25—35 мкм) нейронов (в головном мозге человека — 64 тыс.) иннервируют миллиарды клеток новой, древней коры и подкорковых структур за счет колоссального ветвления своих немиелинизированных аксонов (каждый аксон образует сотни тысяч ответвлений). Восходящие волокна ТМЯ образуют два пути: латеральный (через латеральный пучок переднего мозга) и перивентрикулярный, объединяющиеся в диагональной полоске Брока в общую проекцию (в основном ипсилатеральную) на многочисленные структуры переднего мозга, включая кору, обонятельную луковицу, гиппокамп, хвостатое ядро, n. accumbens, бледный шар и миндалевидный комплекс. Насыщенную иннервацию со стороны нейронов ТМЯ имеют также многие гипоталамические ядра: супрахиазмальное, супраоптическое, полукружное, вентромедиальное [3, 5, 15—17].

Наиболее мощные восходящие проекции направляются в нейрогипофиз, в близлежащие дофаминергические области вентральной покрышки и компактной части черной субстанции, в базальные отделы лобных долей (крупноклеточные ядра безымянной субстанции, содержащие ацетилхолин, глутамат и ГАМК), в стриатум, неокортекс, гиппокамп, миндалину и таламические ядра средней линии, а нисходящие — в мозжечок, мост, продолговатый и спинной мозг, включая ядра черепных нервов (тройничного нерва), центральное серое вещество, бугры четверохолмия, черную субстанцию, голубое пятно, дорсальное ядро шва. Кроме того, показана реципрокная связь супрахиазменных ядер и ТМЯ [3, 5, 15—17].

В свою очередь гистаминергические нейроны ТМЯ получают афференты от инфралимбической коры, латеральной области перегородки, септально-диагонального комплекса, гиппокампа, преоптической области переднего гипоталамуса, адренергических клеток С1—С3, норадренергических нейронов А1—А3 и серотонинергических клеток В5—В9 (ветролатеральная и дорсомедиальная части продолговатого мозга, дорсальное ядро шва). Наиболее мощные тормозные (ГАМК/галанинергические) проекции на ТМЯ исходят из так называемого центра сна (вентролатеральная преоптическая область), а возбудительные — от орексин/гипокретинергических нейронов в латеральном гипоталамусе. Интересно, что лишь одиночные волокна достигают ТМЯ от норадренергических клеток голубого пятна и дофаминергических нейронов вентральной покрышки среднего мозга (VTM) и компактной части черной субстанции. Однако при болезни Паркинсона, связанной с разрушением дофаминергической передачи, наблюдается двукратное повышение концентрации гистамина, поступающего из ТМЯ в компактную часть черной субстанции и ее проекцию — бледный шар [3, 5, 15—17].

Максимальная частота разрядов орексиновых нейронов, как и аминергических, наблюдается в состоянии активного бодрствования, а минимальная (нулевая) частота — в фазе быстрого сна. Активация гистаминовых нейронов — одна из важнейших функций орексинергической системы. Однако гистаминовые нейроны, по-видимому, не влияют непосредственно на возбудимость орексиновых нейронов, так что прямое взаимодействие этих двух систем носит односторонний характер. Оба медиатора (гистамин и орексин) действуют синергично, играя уникальную роль в поддержании бодрствования [3, 5, 15—17].

Тесное взаимодействие в регуляции бодрствования осуществляется между гистаминергическими и двумя другими аминергическими системами — норадренергическими и серотонинергическими. Все их нейроны относятся к группе «waking-on», они активны только в бодрствовании, резко снижают частоту импульсации в медленном сне и полностью прекращают ее в быстром. Детали этого взаимодействия изучены недостаточно, но опыты на мутантных собаках — «нарколептиках» [1, 14] показывают, что именно гистаминергические нейроны, по-видимому, ответственны за элементы «сознания», связанные с таламо-кортикальной и другими системами переднего мозга, в то время как норадренергические и серотонинергические клетки в большей степени связаны с поддержанием мышечного тонуса во время бодрствования.

Интересным свойством всех гистаминергических рецепторов является их высокая так называемая «коститутивная» активность, то есть спонтанная активность в отсутствие гистамина. Эта активность играет важную регуляторную роль в мозге, участвуя в регуляции сна-бодрствования и когнитивных функций путем модуляции выброса или синтеза гистамина и других нейропередатчиков. Уже несколько обратимых агонистов Н3-рецепторов, способных ее блокировать, проходят клинические испытания на больных шизофренией, эпилепсией, нарколепсией, ожирением и болезнью Альцгеймера [3, 5, 15—17].

Гистаминергическая система также играет важную роль в формировании нарколептического фенотипа, так как в ЦСЖ больных нарколепсией и первичной гиперсомнией содержание гистамина резко снижено или не определяется. Однако при посмертном вскрытии в головном мозге больных нарколепсией было обнаружено увеличение количества гистаминергических нейронов в результате, вероятно, действия компенсаторных процессов в ответ на потерю орексинергических клеток. Хотя сама нарколепсия связана с недостаточностью орексиновой передачи, в экспериментальных исследованиях было показано, что во время катаплексических приступов активность гистаминергических нейронов сохраняется, в то время как серотонинергических — резко снижается, а норадренергических — прекращается. При этом антагонисты рецепторов Н3 снижают избыточную сонливость и катаплектические приступы, блокируя, по-видимому, тормозные ауторецепторы, обеспечивающие отрицательную обратную связь, что приводит к увеличению выброса гистамина в синаптические щели. Несколько веществ такого рода проходит клинические испытания в качестве лекарственных средств для лечения нарколепсии [3, 5, 15—17].

Кроме того, модуляция гистаминергической системы может быть использована для лечения и других нарушений цикла бодрствование—сон. Так, трициклический антидепрессант доксепин не только тормозит обратный захват норадреналина и серотонина, но и является антагонистом рецепторов Н1 и Н2, вследствие чего с успехом применяется для лечения бессонницы у пожилых больных. Наоборот, избыточная сонливость может быть подавлена введением антагонистов рецепторов Н3. Таким образом, гистаминергическая система представляет собой важнейшую мишень для разработки новых лекарственных препаратов, необходимых для лечения, в частности, нарколепсии и болезни Паркинсона [4, 13, 15, 18].

Дофаминергические нейроны, вовлеченные в регуляцию цикла бодрствование—сон, расположены в компактной части черной субстанции и прилежащей области вентральной покрышки. На уровне проекции дофаминергических нейронов в стриатуме эффекты разнообразны: в прилежащем ядре перегородки (n. accumbens) находятся активирующие рецепторы, участвующие в механизмах пробуждения и бодрствования, а дофаминергическая передача в наружной части бледного шара участвует в регуляции медленного сна. Кроме того, важный дофаминергический центр бодрствования обнаружен в вентральной части околоводопроводного серого вещества. Инактивация дофамина в головном мозге происходит главным образом за счет его обратного захвата белком-транспортером. Психостимуляторы (амфетамины и модафинил) блокируют этот белок, подавляя обратный захват дофамина. Таким образом, глобальный эффект дофамина при системном введении является активирующим. А антипсихотики (антагонисты дофаминергических рецепторов) проявляют седативные свойства [3, 11, 14, 17, 19—21].

Нарушение дофаминергической передачи происходит при таких патологиях, как болезнь Паркинсона, синдром беспокойных ног и избыточная дневная сонливость. Это подтверждается клинико-фармакологическими данными. Например, синдром беспокойных ног эффективно лечится агонистами дофамина, а его антагонисты ухудшают симптоматику. В то же время нейросканирование (позитронно-эмисссионное — ПЭТ, однофотонное — SPECT) дофаминового переносчика и насыщенности дофаминергических рецепторов у больных с синдромом беспокойных ног не дало однозначных результатов. Предполагается, что нейроанатомические пути, вовлеченные в синдром беспокойных ног, включают в себя так называемое диэнцефально-спинальное скопление дофаминергических нейронов (А11). Эти клетки, имеющие тесные связи с циркадианным осциллятором в супрахиазмальном ядре и участвующие в антиноцицептивных реакциях, образуют сравнительно мало изученный нисходящий проводящий путь, которы интегрирует подкорковые воздействия на спинной мозг [14].

Как известно, при болезни Паркинсона происходит дегенерация дофаминергической нигростриатной системы. Фармакологические данные подтверждают роль этой системы в поддержании нормального бодрствования, так как именно недостаточность дофаминергической системы является, вероятно, причиной развития избыточной дневной сонливости. Кроме того, на поздних стадиях болезни Паркинсона развитие гиперсомнии связано также с разрушением орексинергической системы [3, 11, 14, 17, 19—21].

Холинергические нейроны расположены в дорсолатеральной части понтомезенцефалической ретикулярной формации, включая области педункулопонтинной и латеродорсальной покрышки, а также в базальных отделах лобных долей. Холинергические нейроны в педункулопонтинной и латеродорсальной покрышке проецируются главным образом в таламус и гипоталамус, а клетки базальных отделов лобных долей — в лимбику и неокортекс. Холинергические нейроны обеих групп относятся к типу «REM-waking-on» — они интенсивно разряжаются и в бодрствовании, и в быстром сне, но постепенно замолкают по мере углубления медленного сна. Холинергические нейроны в базальных отделах лобных долей участвуют в генерации гамма-ритма ЭЭГ при поведенческой активации. Оптогенетические опыты показали, что лазерная стимуляция нейронов базальных отделов лобных долей во время медленного сна вызывает коротколатентное поведенческое и ЭЭГ-пробуждение [3, 14, 18, 20, 22—24].

Отдельные скопления глутаматергических нейронов разбросаны по ретикулярной формации среднего мозга и моста. Наиболее важное из них находится в области прецерулярного/парабрахиального ядра, откуда моносинаптические проекции достигают области базальных отделов лобных долей. Недавние исследования подтвердили исключительную роль, которую играет эта система в поддержании бодрствования и сознания не только у модельных животных, но и у человека. Глутаматергические нейроны, как и холинергические, относятся к типу «REM-waking-on» и участвуют в регуляции не только бодрствования, но и быстрого сна [3, 7, 14, 25, 26].

Таким образом, отдельные части ретикулярной восходящей активирующей системы, которые выделяют такие передатчики, как глутамат, ацетилхолин, орексин и катехоламины (дофамин, гистамин, серотонин, норадреналин), обнаруженные экспериментальными методами на модельных объектах, получили полное подтверждение в неврологических и визуализационных исследованиях на человеке. Эти данные, полученные фундаментальной наукой, являются необходимой базой для изучения таких заболеваний, как нарколепсия, болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона и черепно-мозговая травма [3, 5, 14, 15, 17, 21, 23, 27].

При переходе к медленному сну («царству ГАМК») все эти молекулы быстро исчезают из межклеточной среды мозга и заменяются основным тормозным медиатором головного мозга (ГАМК), концентрация которого нарастает по мере углубления медленного сна [3, 20].

Исключительным своеобразием отличается биохимическая среда головного мозга в фазе быстрого сна. Высокий уровень ацетилхолина и глутамата сочетается с полным отсутствием орексина (гипокретина) и мозговых аминов — норадреналина, серотонина и гистамина, за исключением дофамина, концентрация которого может даже превышать таковую в бодрствовании. Появляется новый медиатор — пептид МКГ, опосредующий гипоталамо-понтинный уровень регуляции быстрого сна. Выделение ГАМК в целом значительно снижается, но сохраняется высоким в местах скопления орексинергических (срединный гипоталамус), гистаминергических (туберомаммиллярные ядра заднего гипоталамуса), серотонинергических (дорсальные ядра шва) и норадренергических (голубое пятно) нейронов. В этих системах ГАМКергические нейроны играют роль замка, препятствующего деполяризации этих клеток в течение всего периода быстрого сна [2, 3, 14, 21, 26].

Столь радикальная смена биохимической среды головного мозга в цикле бодрствование—сон сочетается с глобальными изменениями в работе большинства нейрональных систем, детально изложенными в ряде обзоров [1—3, 5, 14, 17, 20, 21, 23, 26—28], и, соответственно, радикальными психическими изменениями у человека. В этой связи опирающаяся на фундаментальную сомнологию медицина сна приобретает все большую социальную значимость, поскольку серьезные расстройства циркадианного ритма и нарушения сна отмечаются как при психических, так и нейродегенеративных заболеваниях [29].

Работа поддержана грантом РНФ (проект № 17−15−01433).

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

1Термины «медленный—быстрый» сон имеют около десятка пар синонимов. Единой общепринятой англоязычной терминологии не выработано. В настоящей работе использованы парные русскоязычные термины, рекомендованные основателем отечественной медицины сна и физиологии сна человека, акад. РАМН А.М. Вейном (1928—2003).

Подтверждение e-mail

На test@yandex.ru отправлено письмо с ссылкой для подтверждения e-mail. Перейдите по ссылке из письма, чтобы завершить регистрацию на сайте.

Подтверждение e-mail