Саморегуляция функционального состояния головного мозга

Наряду со сложной деятельностью сенсорного ана­лиза, регуляцией моторной активности и вегетатив­ными процессами центральная нервная система вы­полняет важную функцию по саморегуляции функ­ционального состояния. Головной мозг обладает спо­собностью изменять свое функциональное состояние в зависимости от характера поведения и уровня его информационной деятельности. Каждому виду пове­дения соответствует свой оптимальный уровень фун­кционального состояния мозга.

Выделяют девять уровней функционального состо­яния, соответствующих всему диапазону интенсивно-стей поведения: кома, глубокий сон, поверхностный сон, дремота, пробуждение, спокойное бодрствование, активное бодрствование, эмоциональное возбуждение, сверхвозбуждение или ярость (Линдсли, 1960).

Способность саморегуляции состояний головного мозга, с одной стороны, оптимизирует условия дея­тельности головного мозга по организации определен­ного поведения, а с другой стороны, определяет наи­более экономный режим работы его нейронных сис­тем. С саморегуляцией связаны также способность к

продолжительному сохранению высокой мозговой активности (работоспособности), уникальные надеж­ность и пластичность в работе головного мозга.

Понятие «функциональное состояние» центральной нервной системы является одним из базовых в нейро­физиологии; к нему близки понятия «центральный тонус», «функциональный уровень», «уровень возбу­димости», «уровень бодрствования», «уровень работо­способности» и ряд других. Под функциональным состоянием головного мозга обычно понимают общую характеристику множества структур головного моз­га, тот фон, на котором развиваются процессы орга­низации поведенческих актов и реакций на воздей­ствия. Так как головной мозг является сложной сис­темой, состоящей из большого числа элементов со множеством связей между ними, то функциональное состояние должна отражать общая интегрирующая ха­рактеристика всей системы, свидетельствующая о ее возможностях. Вероятно, одному и тому же функцио­нальному состоянию могут соответствовать разные комбинации состояний отдельных элементов системы. Из этого следует, что те структуры головного мозга, которые осуществляют саморегуляцию функциональ­ного состояния, одновременно участвуют и в интегра­ции мозговой деятельности, объединении работы от­дельных элементов системы в единую целостную дея­тельность всего мозга.

Мысль о саморегуляции мозговой деятельности была впервые высказана И. М. Сеченовым, который в книге «Рефлексы головного мозга» (1863) писал о существовании в мозгу специальных «усиливающих» и «задерживающих» механизмов. Структуры мозга, способные осуществлять саморегуляцию его функци­онального состояния, должны обладать рядом свойств:. а) получать широкий приток информации о состоя-

нии среды организма и головного мозга; б) иметь не только прямые, но и обратные связи с регулируемым объектом; в) посылать регулирующие влияния двух типов: активирующие и тормозящие; г) оказывать широкое регулирующее влияние на многие отделы головного мозга; д) изменять уровень и характер ре­гулирующих воздействий.

12.1. Неспецифические системы головного мозга

Обнаружение и изучение таких структур началось с работ Моруцци и Мэгуна (1949) по физиологии ре­тикулярной формации мозгового ствола и Джаспера (1963) по физиологии медиальных ядер таламуса. Эти структуры были объединены в неспецифическне сис­темы головного мозга.

В настоящее время неспецифические системы вклю­чают в себя целый ряд структур на разных уровнях центральной нервной системы от спинного мозга до неокортекса, тесно взаимодействующих между собой с помощью сложных нейрофизиологических и нейро­химических механизмов. Наряду с общими неспеци­фическими, регулирующими воздействиями на уров­ни функционального состояния мозга, неспецифи­ческая система оказывает локальные специализиро­ванные воздействия на отдельные структуры или фун­кции. В состав неспецифической системы входят же-латинозная субстанция спинного мозга, ретикуляр­ная формация продолговатого мозга, варолиева моста и среднего мозга, неспецифические ядра таламуса, ба-зальные отделы переднего мозга, включая преопти-ческую область, новая кора. С ними тесно взаимодей­ствуют ряд структур лимбической системы и другие образования головного мозга.

Таким образом, под неспецифической системой понимается система особых взаимосвязанных струк-

тур на всех уровнях головного мозга, которая морфо­логически представляет неоднородно построенные се-тевидные скопления нейронов, отличающихся нейро­химическими и физиологическими характеристика­ми, и функционально обеспечивает генерализованную регуляцию уровней активности всего головного мозга и отдельных его образований.

Важнейшей частью неспецифической регуляторной системы является ряд структур ретикулярной фор­мации мозгового ствола. Высокочастотная стимуля­ция этих структур приводит к генерализованной ак­тивации коры, десинхронизации ее биопотенциалов и поведенческому пробуждению.

Разрушение этих структур способствует глубокому сну и блокирует пробуждение, вызываемое обычно со-матосенсорной стимуляцией. Восходящие активиру­ющие влияния ретикулярной формации на кору боль­ших полушарий поступают через неспецифические ядра таламуса или через гипоталамо-корковые пути. Реакцию активации коры больших полушарий мож­но получить при стимуляции не только ретикуляр­ной формации мозгового ствола, но и структур вент-ромедиального таламуса и дорсального гипоталамуса. Ретикулярная формация мозгового ствола неоднород­на: в ней существует ряд нейронных скоплений, отли­чающихся по природе медиаторных систем, функци­ональным особенностям и характеру регулирующего влияния. В связи с различием нейрохимических ме­ханизмов в ретикулярной формации мозгового ство­ла различают холинергическую, дофаминергическую, норадреналинергическую, адренергическую и серото-нинергическую системы. Большинство серотонинер-гических нейронов расположено в различных ядрах шва, небольшая часть — в вентральных отделах про­долговатого мозга.

Ядра шва объединены в серотонинергическую сис­тему нейронов, образующих непрерывную структуру от каудального отдела продолговатого мозга к покрыш­ке моста и среднего мозга. Нейроны ядер шва имеют длинные слабо ветвящиеся дендриты и небольшие кле­точные тела. В эту группу входят дорсальное ядро шва, медианное ядро шва, ядро шва моста и ядро шва продолговатого мозга.

Ретикулярная формация продолговатого мозга включает три поля — гигантоклеточное, крупнокле­точное и мелкоклеточное, два ядра — латеральное ре­тикулярное и парамедианное и несколько групп ка-техоламиновых нейронов. Гигантоклеточное поле ре­тикулярной формации является важным звеном пе­редачи в срединный центр таламуса болевой инфор­мации, поступающей из спинного мозга. Большинство нейронов гигантоклеточного поля реагирует на боле­вое воздействие. Здесь обнаружено большое количе­ство опиатных рецепторов и эндогенных пептидов, участвующих в антиболевом механизме. Крупнокле­точное поле тесно связано со спинным мозгом, сред-немозговой ретикулярной формацией и парафасцику-лярным ядром таламуса. Аксоны ретикулярных ней­ронов крупноклеточного поля скапливаются в рети­кулярной формации варолиева моста. Катехоламино-вые группы нейронов входят в ядро одиночного трак­та. Они принимают афферентацию от барорецепторов сосудов и передают сигналы в гипоталамус., и лате­ральную тегментальную группу.

Ретикулярная формация моста включает в себя группу ядер и полей, имеющих структурные, хими­ческие и функциональные различия: гигантоклеточ­ное поле, тегментальное ретикулярное ядро Бехтере­ва, паралемнисковое поле, голубое пятно, парабрахи-альную область и др. Последняя содержит разноррд-

ные группировки нейронов, имеющих отношение к вкусовой, висцеральной, двигательной и зрительной функциям и посылающих прямые проекции в кору. Голубое пятно является наиболее крупным объеди­нением норадреналинергических нейронов, небольшую часть составляют серотонинергические клетки. Чис­ленность нейронов в голубом пятне в ходе эволюции мозга значительно возрастает (от 1 650 у крыс, 7 300 у обезьян до 10 000 у человека). В голубое пятно прихо­дит обширная афферентация из многих специализиро­ванных областей мозга и большинства структур неспе­цифической системы, что свидетельствует об участии голубого пятна в интегративных процессах. Нейрон­ные группировки голубого пятна связаны с реакцией самораздражения, циклом бодрствование — сон, регу­ляцией сосудистого тонуса, восприятием боли. Счита­ют, что голубое пятно является частью интегративно-процессорной системы, принимающей участие в конт­роле поведения. Паралемнисковое поле состоит из орального и каудального ядер моста; активность ней­ронов связана с движением глаз в быстроволновой фазе сна и генерацией понтогеникулоокуинтальных волн в

ээг.

Ретикулярная формация среднего мозга занима­ет обширную часть покрышки мозгового ствола и со­держит несколько разнородных нейронных объеди­нений, включенных в разные функциональные под­системы. К ним относятся: центральное поле покрыш­ки, латеральный отдел покрышки, кунеинформное ядро, вентральное поле покрышки и др. Центральное поле покрышки получает афферентные проекции от нижележащих образований, ядер мозжечка, централь­ного серого вещества, латерального гипоталамуса, моторной и сенсорной коры. Его выходы поступают в вентральные и медиальные ядра таламуса, верхние

холмы четверохолмия, гипоталамуса, субталамуса, нижележащие отделы мозгового ствола.

Латеральный отдел покрышки имеет тесные связи с вентромедиальным ядром гипоталамуса, наружным коленчатым телом и многими структурами неспеци­фической системы головного мозга.

Вентральное поле покрышки обеспечивает дофа-минергическую иннервацию структур гипоталамуса, подкорковых ядер и новой коры, ее рассматривают как ретикулярный компонент системы черная субстан­ция — стриопаллидарная система. Результаты раз­дражения, приводящие к значительному усилению двигательной активности, эмоциональности, самости­муляции, свидетельствуют об участии вентрального поля покрышки в процессах висцеромоторной интег­рации. Это согласуется с наличием общих восходя­щих путей в кору, подкорковые ганглии, таламичес-кие и гипоталамические ядра. Кунеинформное (кли­нообразное) ядро имеет обширные связи как со слу­ховой, зрительной, двигательной и другими специа­лизированными системами, так и теснейшие связи с ретикулярной формацией всех уровней, что делает это ядро типичным представителем неспецифической си­стемы мозга.

Неспецифическая система таламуса может рас­сматриваться как ретикулярная формация таламичес-кого уровня. Срединный центр, интраламинарные ядра, парафасцикулярное ядро, ядра средней линии, ретикулярное и переднее вентральное ядро образуют неспецифическую систему с ее диффузной таламокор-тикальной проекцией.

Неспецифические ядра таламуса являются важней­шим звеном всей неспецифической системы, они при­нимают существенное участие в регуляции функцио­нального состояния мозга, интегративных процессах,

организации поведения, развитии сна. Сюда прихо­дят афферентации от соматической, висцеральной, вестибулярной, слуховой и зрительной систем, а так­же проекции из ретикулярной формации среднего мозга, моста и гипоталамуса. Кроме того, по нисходя­щим путям приходит афферентация из хвостатого ядра и обширных площадей новой коры. Эфферентные проекции идут к ретикулярным структурам среднего мозга, моста и продолговатого мозга, гипоталамуса, многим таламическим ядрам, базальным ганглиям и коре больших полушарий.

Считалось, что проекции неспецифической систе­мы таламуса в кору имеют диффузный характер, од­нако в последнее время показана возможность изби­рательной проекции в какое-либо одно корковое поле. Если аксоны специфических ядер таламуса заканчи­ваются в III-IV слоях коры, то неспецифическая сис­тема таламуса проецируется в несколько слоев (I, III-IV и V-VI).

Широкие внутриталамические связи обеспечивают совместное возбуждение ряда центральных группиро­вок неспецифических ядер, оказывающих восходящее регулирующее влияние на обширные области коры. Взаимодействие множества локальных таламических генераторов «веретенообразной» активности приводит к возникновению реакции вовлечения, широко распро­страняющейся по коре. Восходящие активирующие влияния ретикулярной формации на кору больших полушарий в основном опосредуются прямыми проек­циями из неспецифического таламуса в кору (рис. 12.1). Кортикальный уровень неспецифической системы мозга связывают с изначальными механизмами запуска неспецифической системы мозга и ее управлением. В коре могут совмещаться высшие аналитические и ин-тегративные функции мозга и аппарат саморегуляции,

Рис. 12.1. Схема активации мозга при начальном возбужде­нии в ретикулярной формации ствола (а) и в коре (б): АФ — афферентная импулъсация; РФ — ретикулярная формация ствола; НТ — не специфические ядра таламуса; НСОК — не­специфические образования коры (Кратин, 1987)

который в зависимости от уровня информационных процессов может перевести кору больших полушарий и мозг в целом на адекватный уровень работоспособно­сти (Ю. Г. Кратин, 1987). Как снижение уровня функ­ционального состояния, так и его повышение ухудша­ют аналитические возможности мозга и затрудняют принятие адекватных решений.

Стимуляция поясной извилины коры больших по­лушарий обезьян вызывает такую же активацию моз­га, как раздражение ретикулярной формации средне­го мозга. На одних и тех же элементах ретикулярной формации сходятся афферентные сигналы от сенсор­ных систем разной модальности и от участков коры при их раздражении. Однако порог для вызова реак­ции активации при раздражении коры примерно в два раза выше, чем при раздражении ретикулярной формации. Величина порога для структур неспеци­фической системы таламуса занимает промежуточное

положение. Нисходящие влияния, идущие от коры к ретикулярной формации ствола и неспецифическому таламусу, являются важнейшим звеном обратной свя­зи в цепи саморегуляции функционального состояния головного мозга. Известна способность активации мозга мыслительным процессом, воспроизведением из памяти тех или иных возбуждающих образов.

Таким образом, степень возбуждения неспецифи­ческой системы и ее активирующего влияния опреде­ляется уровнем нисходящих из коры влияний, вели­чиной афферентных сенсорных потоков по коллате-ралям, поступающим в ретикулярную формацию, и влиянием химических факторов на ретикулярные нейроны, сигнализирующих об изменениях внутрен­ней среды организма. Этим обеспечивается быстрый и адекватный переход заинтересованных областей мозга на новый оптимальный режим работы, новый уровень функционального состояния, соответствую­щий изменяющимся жизненным условиям.

12.2. Нейрофизиологические механизмы сна

Деятельность неспецифической системы мозга по саморегуляции функционального состояния хорошо прослеживается при рассмотрении нейрофизиологи­ческих механизмов цикла бодрствование — сон.

Чередование бодрствования и сна является прояв­лением циркадного биоритма, имеющего адаптивное значение. Оно проявляется значительными измене­ниями функционального состояния, большинства структур головного мозга, уровня двигательной ак­тивности и деятельности вегетативной системы орга­низма. Сон, как фаза циркадного биоритма, в свою очередь, имеет ритмическую организацию — законо­мерное чередование фазы медленноволнового сна (ФМС) и фазы быстроволнового сна (ФБС).

У человека при засыпании происходит последова­тельная смена углубляющихся стадий ФМС, продол­жающаяся 60-80 мин, и только затем наступает ФБС. Обе фазы вместе составляют один цикл сна, длящийся 90 мин. За ночь у человека происходит 4-6 циклов. От цикла к циклу продолжительность глубоких стадий ФМС укорачивается, а ФБС возрастает от 5-10 мин в первом цикле до 30 мин в последних.

Во время сна в головном мозгу происходят актив­ные процессы нейрохимических изменений, нейрон­ной активности, межнейронного взаимодействия, ин­формационной деятельности на сниженных уровнях его функционального состояния.

В организации сна участвует множество структур на всех уровнях неспецифической системы мозга. Раз­личают нейрофизиологические механизмы организа­ции цикла бодрствование — сон, чередования ФМС и ФБС и собственные механизмы организации каждой из фаз сна. Результаты перерезок ствола мозга на раз­личных уровнях свидетельствуют, что структуры, от­ветственные за регуляцию цикла бодрствование — сон, представлены на уровне мозгового ствола двумя анта­гонистически действующими системами (рис. 12.2).

Бодрствование обеспечивается тонической восходя­щей активацией ретикулярной формации моста, сон — тонической «синхронизирующей» системой ядер шва и каудальной части мозгового ствола (область одиноч­ного тракта). На стволовые механизмы регуляции цикла бодрствование — сон оказывают значительные нисходящие влияния неспецифические структуры конечного и промежуточного мозга.

К гипногенным структурам относится и базальная преоптическая область мозга, раздражение которой вызывает развитие сна, а разрушение — бессонницу. Гипногенные структуры нижней части ствола и пре-

Рис. 122. Обобщенная схема мозговых структур, которые уча­ствуют в регуляции сна и бодрствования. Центры бодрство­вания заштрихованы, центры сна светлые (Шеперд, 1987)

оптической области оказывают тормозное влияние на нейроны восходящей активирующей ретикулярной формации. Это приводит к снижению контролирую­щего влияния ретикулярной формации на нейроны неспецифических ядер таламуса. В результате сня­тия этого контроля в неспецифических ядрах таламу­са усиливаются процессы возвратного торможения и синхронизируется активность нейронных группиро­вок, что приводит к функциональной блокаде специ­фической афферентации на таламическом уровне. В результате изменений в неспецифической системе таламуса происходит синхронизация нейронной ак­тивности в коре и последовательное развитие ФМС.

На смену медленновоЛновому сну закономерно при­ходит ФБС: у человека в течение ночи примерно пять раз происходит смена ФМС и ФБС. Во время быстро-волновой фазы сна наступают десинхронизация ЭЭГ и потеря мышечного тонуса, быстрые движения глаз, миоклонические подергивания и сновидения.

Нейрофизиологические механизмы ФБС связаны с ретикулярными нейронами гигантоклеточного ядра варолиева моста и голубого пятна. В гитантоклеточ-ном поле обнаружены нейроны, активирующиеся при возникновении ФБС. Активация этих нейронов приво­дит: 1) к возбуждению мотонейронов глазодвигатель­ных мышц и быстрым движениям глаз; 2) возбуждению путей от варолиева моста к наружным коленчатым телам зрительной коры и возникновению сновидений; 3) нисходящему торможению мотонейронов продолгова­того и спинного мозга и падению мышечного тонуса.

В результате активирующего действия ретикуляр­ной формации варолиева моста в большинстве струк­тур головного мозга усиливается нейронная актив­ность. Постепенно активность нейронов дорсального ядра шва и голубого пятна на время ФБС тормозится. Нейрофизиологический механизм чередования фаз сна связан с рецилрокным взаимодействием групп нейро­нов, включающихся в начале ФБС, и групп нейро­нов, тормозящихся в течение ФБС. Динамическое вза­имодействие между нейронами гигантоклеточного ядра, дорсальных ядер шва и голубого пятна лежит ~b основе чередования фаз сна (рис. 12.3).

Нейроны гигантоклеточного ядра связаны самовоз­буждающими связями и при определенном уровне ак­тивности посылают возбуждающие импульсы к систе­ме нейронов голубого пятна и дорсальных ядер шва, что приводит к завершению ФБС и развитию следую­щей ФМС. Во время ФМС происходит постепенное тор-

Рис. 12.3. Нервные структуры и процессы, ответственные за быстроволновую фазу сна: ГКЯ — гигантоклеточное ядро моста, ГП — голубое пятно, ДЯШ — дорсальные ядра шва; 1 — мотонейроны глазодвигательных мышц, 2 — передний мозг,3 — зрительные пути, 4 — сенсорные пути, 5 — мото­нейроны спинного мозга, 6 — нейроны ствола, 7 — ГКЯ, 8 — ГП—ДЯШ; а — активность нейрона новой коры, б — перио­дическое изменение активности, популяции нейронов ГКЯ и ГП—ДЯШ и их взаимодействие, в — активность мотонейро­на спинного мозга (Шеперд, 1987)

можение нейронов голубого пятна и дорсальных ядер шва, при этом наблюдается активизация нейронов ги-гантоклеточного ядра и развитие ФБС. Периодическая активность этих нейронных популяций, вероятно, свя­зана с цепями возвратного торможения и лежит в ос­нове механизма ритмической смены фаз сна.

Следовательно, в головном мозгу имеется множе­ство структур — распределенная система, участвую­щая в управлении циклом бодрствование — сон. Важ­ную роль в этой распределенной системе имеют три

стволовые группировки нейронов разной медиаторной природы.

Состояние бодрствования связано с активностью норадреналинергических, ФМС — серотонинергичес-ких, а ФБС — холинергических групп нейронов. Де­ятельность стволовых гипногенных структур в зна­чительной степени модулируется таламокортикальной неспецифической системой, гипоталамусом, хвоста­тым ядром и другими структурами головного мозга. Затруднения в развитии сна или его облегчение зави­сят от уровня нисходящих кортикальных влияний, величины афферентного сенсорного потока и содер­жания ряда химических веществ.

«Незагруженность» аналитической и интегратив-ной деятельностью, монотонные процессы внутренне­го торможения в коре способствуют развитию сна и увеличивают его продолжительность, тогда как шум, яркий свет, неудобная постель, боль и другие виды сенсорной афферентации препятствуют развитию сна. Среди химических факторов, модулирующих разви­тие сна, ведущее место занимают регуляторные пеп­тиды. Пептид, индуцирующий дельта-сон (ДСИП), со­стоит из девяти аминокислот, при введении живот­ным и человеку вызывает развитие глубоких стадий ФМС, нормализует нарушения развития этой фазы сна. Химическая структура ДСИП расшифрована, син­тезирован ряд его модификаций, которые применя­ются при лечении нарушений сна. Регулятором и мо­дулятором сна является пептид СР, обнаруженный в 30 нейронных популяциях мозга и других тканях организма. Он оказывает влияние на биологические ритмы разной продолжительности. Пептид соматото-нин ускоряет развитие ФБС и снижает продолжи­тельность ФМС. Тормозят развитие сна пептид ангио-тезин II и тиреотропный гормон. В настоящее время

обнаружено уже свыше десяти регуляторных пепти­дов, способных оказывать модулирующее действие на сон.

Таким образом, механизмы сна складываются из множества нейрохимических и физиологических про­цессов на всех уровнях неспецифической системы го­ловного мозга. Поскольку развитие сна, его продол­жительность и глубина в значительной степени зави­сят от эмоционального состояния и отклонений гомео-стаза, то неспецифическая ретикулоталамо-неокор-тикальная система, осуществляя регуляцию сна, тесно взаимодействует с ретикулогипоталамо-палеокорти-кальной системой. Вся гипногенная система включа­ет в себя множество структур, разнородных по хими­ческой природе, преимущественному влиянию на ме­ханизмы отдельных компонентов цикла бодрствова­ние — сон, знаку воздействия. Отрицательная обрат­ная связь между активирующими и синхронизирую­щими регуляторными компонентами неспецифичес­кой системы обеспечивает закономерную последова­тельность развития сна и стабилизацию его стадий и фаз. Периодичность сна как циркадного биоритма оп­ределяется врожденными эндогенными механизмами центральных биологических часов, основными ком­понентами которых являются гипоталамо-гипофизар-ная система и эпифиз.