Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 11
1.1. Особенности сна наземных животных 11
1.2. Структура сна и асимметрия ЭЭГ у морских млекопитающих 17
1.2.1. Структура сна китообразных 17
1.2.2. Структура сна и асимметрия ЭЭГ у северных морских котиков 23
1.3. Морфофункциональный субстрат межполушарной асимметрии
у наземных и морских млекопитающих 25
1.4. Депривация как метод изучения механизмов сна 28
Глава 2. Материалы и методы исследования 32
2.1. Объект исследования 32
2.2. Операция по вживлению электродов 32
2.3. Полиграфическая регистрация 33
2.4. Выделение стадий сна и бодрствования 34
2.5. Расчеты спектральной мощности ЭЭГ 34
2.6. Выделение 2-х стадий медленноволнового сна на основании спектральной мощности ЭЭГ 35
2.7. Коэффициент асимметрии ЭЭГ 36
2.8. Депривация билатеральной медленноволновой и парадоксальной фаз сна 37
2.9. Создание экспериментальной ситуации повышенной тревожности 38
Глава 3. Результаты исследования 39
3.1. Характеристика асимметрии ЭЭГ у северных морских котиков 39
3.1.1. Характеристика цикла бодрствование-сон у северных морских котиков 39
3.1.2. Соотношение результатов визуального стадирования медленноволнового сна и нормированной спектральной мощности ЭЭГ 43
3.1.3. Индивидуальные вариации паттерна сна 46
3.1.4. Представленность медленноволнового и парадоксального сна в течение ночи 47
3.1.5. Спектральная композиция ЭЭГ во время сна и бодрствования 52
3.1.6. Количественная оценка степени латерализации межполушарной асимметрии ЭЭГ 54
3.1.7. Количественная оценка степени ЭЭГ асимметрии в различных частотных диапазонах 58
3.2. Депривация высокоамплитудного билатерального медленноволнового сна 60
3.2.1. Параметры сна в контрольных условиях 60
3.2.2. Депривация высокоамплитудного билатерального медленноволнового сна 63
3.2.3. Эффект депривации высокоамплитудного билатерального медленноволнового сна на количество медленноволнового сна и парадоксального сна 65
3.2.4. Эффект депривации высокоамплитудного билатерального медленноволнового сна на композицию медленноволнового сна 70
3.3. Депривация парадоксального сна 74
3.3.1. Параметры сна в контрольных условиях 74
3.3.2. Повторяющиеся попытки развития эпизодов парадоксального сна 75
3.3.3. Параметры парадоксального сна во время депривации 76
3.3.4. Влияние депривации парадоксального сна на структуру медленноволнового сна 81
3.4. Особенности сна в ситуации повышенной тревожности морских котиков 83
3.4.1. Параметры сна в контрольных условиях 83
3.4.2. Влияние состояния повышенной тревожности котиков на структуру сна 84
Глава 4. Обсуждение результатов исследования 91
Выводы 102
Список используемой литературы 103
- Структура сна китообразных
- Депривация как метод изучения механизмов сна
- Характеристика цикла бодрствование-сон у северных морских котиков
- Параметры сна в контрольных условиях
Введение к работе
Актуальность исследования. Сон наземных млекопитающих состоит из двух стадий – медленноволновой и парадоксальной и характеризуется рядом признаков, главными из которых являются полная неподвижность животного и синхронное развитие медленных волн электроэнцефалограммы (ЭЭГ) в двух полушариях мозга (Ковальзон, 2003; Siegel, Langley, 1965; Frederickson, Rechtschaffen, 1978; Borbely, 1982; Neckelmann, Ursin, 1993; Tobler, 1995; Siegel, 2009). Северные морские котики (ластоногие, представители отряда хищных) обитают в двух резко различающихся по своим характеристикам средах – на суше и в воде. Поэтому, в процессе эволюции формирование структуры сна морских котиков определялось бинарностью фактора «окружающая среда». Когда морские котики находятся на суше, их сон сопровождается неподвижностью, медленноволновой сон (МС) развивается преимущественно в обоих полушариях (билатерально-симметричный МС или БМС), а количество и частота парадоксального сна (ПС) соизмеримы с таковыми у наземных млекопитающих. В воде сон морских котиков сопровождается двигательной активностью одного ласта, а МС характеризуется межполушарной асимметрией ЭЭГ и напоминает однополушарный медленноволновый сон китообразных (Мухаметов, Супин, 1975; Лямин, Мухаметов, 1998; Mukhametov и др., 1977; Lyamin и др., 2002-2008; Ridgway, 2002). Во время сна в воде у котиков резко увеличивается доля МС с межполушарной асимметрией ЭЭГ (асимметричный МС или АМС) и сокращается количество ПС (более чем в 10 раз), что также напоминает ситуацию с ПС у китообразных, у которых эта фаза сна либо протекает в виде редких, коротких эпизодов, либо отсутствует (Lyamin и др., 2008). Во время МС, как на суше, так и в воде, у морских котиков, также как и у китообразных, регистрируется открывание одного глаза.
Таким образом, сон морских котиков сочетает в себе признаки типичного ”наземного” и “водного” типов (паттернов) сна. Принимая во внимание перечисленные особенности сна северного морского котика, это животное является уникальным объектом (моделью) не только для изучения особенностей сна морских млекопитающих (механизмов асимметричного и однополушарного МС), а также причин отсутствия ПС у китообразных и у котиков в воде, но и механизмов и функций сна в целом.
У наземных млекопитающих - грызунов (Borbely и др., 1984; Tobler и др., 1993; Huber и др., 2000; Tobler, Deboer, 2001) и птиц (Amlaner, Ball, 1994; Rattenborg и др., 1999 - 2001) - изучение межполушарных отношений во время сна проводится с помощью компьютерного анализа ЭЭГ. Электрофизиологические исследования сна морских котиков до настоящего момента проводились преимущественно методом визуального стадирования, что практически не позволяло количественно охарактеризовать выраженность межполушарной асимметрии ЭЭГ в разных частотных диапазонах. Другим широко применяемым методическим приемом при изучении сна является метод избирательной депривации МС или ПС (Rechtschaffen, Bergmann, 2002; Bonnet, 2005; Dinges и др., 2005). Эксперименты, проведенные на дельфинах-афалинах, показали возможность осуществления не только тотальной депривации сна у этих животных, но и избирательной депривации МС в одном полушарии мозга (Oleksenko и др., 1992). На ластоногих подобные эксперименты никогда не проводились.
Таким образом, в данном исследовании были впервые применены несколько экспериментальных подходов современной сомнологии, которые позволили не только продолжить исследование механизмов межполушарной асимметрии ЭЭГ во время МС у котиков, но и исследовать взаимосвязь между разными фазами сна у этих животных.
Цель работы: исследование механизмов межполушарной асимметрии ЭЭГ у северных морских котиков в цикле сон–бодрствование.
Задачи исследования:
-
Изучить выраженность межполушарной асимметрии ЭЭГ в различных частотных диапазонах у северных морских котиков во время сна на суше.
-
Оценить степень межполушарной латерализации ритмов ЭЭГ у морских котиков.
-
Исследовать изменение структуры сна у северных морских котиков в условиях избирательной депривации билатерально-симметричного медленноволнового сна и в последующий период восстановления.
-
Исследовать изменение структуры сна у северных морских котиков в условиях избирательной депривации парадоксального сна и в последующий период восстановления.
-
Исследовать изменение структуры сна у северных морских котиков в условиях повышенной тревожности животных и в последующий период восстановления.
Научная новизна результатов исследования. Впервые детально исследована межполушарная асимметрия ЭЭГ у северных морских котиков в частотном диапазоне от 1,2 до 16 Гц с помощью метода спектрального анализа на групповом и индивидуальном уровнях. Установлено, что межполушарная асимметрия ЭЭГ выражена во всем частотном диапазоне 1,2-16 Гц в медленноволновом сне, а латерализация ритмов ЭЭГ между полушариями во время медленноволнового сна носит динамический характер.
Впервые изучены эффекты избирательной депривации парадоксальной и билатерально-медленноволновой фаз сна, а также влияния повышенной тревожности на структуру сна у северных морских котиков. Показано, что, несмотря на значительное сокращение количества парадоксального сна и билатерального медленноволнового сна у северных морских котиков в воде, депривация данных фаз сна на суше сопровождается развитием повторяющихся эпизодов билатерального медленноволнового и парадоксального сна. Это свидетельствует о невозможности полного переключения морских котиков с «наземного» на «водный» тип сна во время пребывания на суше.
Впервые показано, что в ситуации повышенной тревожности у северных морских котиков доля асимметричного медленноволнового сна в общем количестве медленноволнового сна не изменяется. Эти данные свидетельствуют о том, что экспериментально вызванное состояние тревожности не является единственным фактором, определяющим развитие асимметричного медленноволнового сна у морских котиков.
Научно-практическая значимость работы. Настоящая работа относится к области фундаментальных нейробиологических и нейрофизиологических исследований. Полученные данные вносят вклад в понимание функций и механизмов сна морских млекопитающих и дополняют сложившиеся представления об основных механизмах состояний сна и бодрствования у млекопитающих в целом. Исследование межполушарной асимметрии ЭЭГ у северных морских котиков во время сна важно для понимания адаптивных функций сна, а также эволюции функциональных асимметрий мозга животных.
Полученные данные могут быть использованы в медицине при разработке новых методик лечения расстройств сна у людей, таких как фрагментированность сна, инсомния, дефицит парадоксального сна, нарушение контроля двигательной активности во время сна (снохождение, синдром беспокойных ног) и т. д.
Северные морские котики являются популярными объектами дельфинариев и морских парков, а также животными, которые могут быть использованы для выполнения различных задач в открытом море (патрулирование нефтепроводов, поиск затонувших предметов и т.д.). Полученные данные свидетельствуют о том, что сон морских котиков в воде и на суше неодинаков, поэтому работающему с ними персоналу необходимо учитывать особенности структуры сна котиков при работе с этими животными.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Асимметрия ЭЭГ между полушариями в диапазоне 1-16 Гц, по всей видимости, свидетельствует о наличии асимметрии биоэлектрической активности на уровне подкорковых структур головного мозга у северных морских котиков.
-
У отдельно взятого морского котика не наблюдается постоянной латерализации спектральной мощности ритмов ЭЭГ между симметричными передне-затылочными отведениями полушарий.
-
Условия сна на суше определяют необходимость развития билатеральной медленоволновой активности ЭЭГ у морских котиков во сне.
-
Механизмы генерации парадоксального и асимметричного медленноволнового сна у северных морских котиков относительно автономны, что отражается в неизменности количества асимметричного медленноволнового сна в условиях избирательной депривации парадоксальной фазы сна.
-
Состояние повышенной тревожности не является единственной причиной возникновения асимметричного медленноволнового сна у северных морских котиков.
Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на: IV, V Всероссийской школе-конференции «Сон - окно в мир бодрствования» (Москва, 2007, Ростов-на-Дону, 2009), VI Всероссийской конференции с международным участием «Актуальные проблемы сомнологии» (Санкт-Петербург, 2008), XXIII ежегодной конференции APSS (Объединенное профессиональное сомнологическое общество) (Сиэтл, США, 2009), XVIII конференции Американского общества по изучению биологии морских млекопитающих (Квебек, Канада, 2009). Диссертация апробирована на межлабораторном коллоквиуме ИПЭЭ им. А.Н. Северцова РАН, совместном заседании кафедры физиологии человека и животных и УНИИ валеологии ЮФУ и заседании ученого совета НИИ нейрокибернетики им. А.Б. Когана ЮФУ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ (из них 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ). Личный вклад автора в опубликованном материале составляет 68%, объемом – 1,62 п.л.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 122 страницах, содержит 21 рисунок и 11 таблиц. Работа состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методик проведенного исследования, результатов исследования, обсуждения, выводов и списка литературы, который содержит 30 источников на русском и 176 - на английском языке.
Структура сна китообразных
Начало изучения сна морских млекопитающих (в частности дельфинов) связывают с исследователем Лили (Lilly, 1964), который на основе поведенческих наблюдений, первый высказал идею о существовании особой, однополушарной формы сна у этих млекопитающих. Суточные наблюдения Лили за состоянием глаз дельфина показали, что дельфины во время медленного плавания редко закрывают два глаза одновременно и попеременно закрывают то один, то другой глаз. Из этих наблюдений Лили сделал вывод, что животное всегда (даже во время сна) оценивает состояние окружающей среды, по крайней мере, одной из половин мозга.
На сегодняшний день электрофизиологическим методом сон изучен у 5-ти видов китообразных: гринда (Globicephala spp.), бутылконосый дельфин (Tursiops truncatus), морская свинья (Phocoena phocoena), амазонский речной дельфин (Inia geoffrensis) и белуха (Delphinapterus leucas) (Serafetinides et al., 1972; Mukhametov et al., 1977; Mukhametov, Polyakova, 1981; Mukhametov, 1984; Ridgway, 2002; Lyamin et al., 2004, 2005b). У всех исследованных видов МС сопровождался межполушарной асимметрией ЭЭГ медленных волн в диапазоне 1-4 Гц. Такой тип МС был назван однополушарным медленоволновым сном (ОМС) (Mukhametov et al., 1977).
Одновременная регистрация ЭЭГ от передних, височных и затылочных областей коры показала несомненные региональные различия в ЭЭГ одного полушария. Однако, эти (региональные) различия были несопоставимы с межполушарными (Мухаметов и др., 1997). У нескольких дельфинов удалось одновременно зарегистрировать электрическую активность от коры и дорсальных областей таламуса. Во всех случаях изменения ЭЭГ в ипсилатеральных отделах коры и таламуса были параллельны. Это позволило сделать вывод, что ОМС не только корковый феномен, а в регуляцию ОМС, возможно, включена часть таламокортикальной системы (Супин и др., 1978).
Эпизоды однополушарного сна у черноморской афалины длились от 3,5 до 132 минут и имели тенденцию чередоваться в полушариях. Количество сна в левом и в правом полушариях могло различаться в течение отдельно взятого дня до 4-х раз, но при подсчете за более длительный период времени (несколько дней) различия отсутствовали. Количество сна в одном полушарии варьировала от 34 до 57% за 24 часа. Большая часть эпизодов у дельфинов приходилась на ночное время (Мухаметов и др., 1988; Mukhametov et al., 1977; Mukhametov, 1985). ОМС у китообразных может протекать на фоне зависания у поверхности воды, на дне бассейна, но чаще всего на фоне двигательной активности стереотипного плавания. У наземных млекопитающих, которые во время сна неподвижны, развитие МС сопровождается снижением частоты разрядов большинства известных нейронных группы ствола мозга (ацетилхониэргической, глутаматэргической, норадеренэргической, серотонинэргической, допаминэргической). Следовательно, сохранение движения во время МС у дельфинов предполагает билатеральную или унилатеральную активацию обширных отделов ствола мозга (Manger et al., 2003; Siegel, 20056). Таким образом, выделение состояния ОМС сна у дельфинов визуально затруднено (Мухаметов и др., 1988, 1997; Mukhametov et al., 1994; Lyamin et al., 20056, 2008в). Основным поведенческим критерием однополушарного сна у дельфинов является одностороннее закрывание глаз на фоне состояния поведенческого покоя, которое проявляется в медленном стереотипном плавании, неподвижном зависании или залегании на дне (Lyamin et al., 2008в). Одностороннее закрывание глаз у дельфинов и белух в 88% случаях сочетается развитием ОМС, который развивается в полушарии контралатеральном закрытому глазу (Lyamin et al., 2002, 2004).
Для изучения порогов пробуждения во сне, одному бутылконосому дельфины были вживлены стимулирующие электроды в покрышку моста. Оказалось, что порог развития билатеральной ЭЭГ активации был выше в 1,4-1,7 раз, если в ипсилатеральном стимулирующему электроду полушарии развивался МС по сравнению с ситуацией, когда МС развивался в контралатеральном полушарии. Изучение порогов пробуждения при стимуляции кожи дельфина, показало, что величина порога двигательной реакции и порога десинхронизации ЭЭГ достоверно выше при односторонней дельта-синхронизации, по сравнению с односторонней поверхностной синхронизацией, причем для однополушарной дельта-синхронизации порог десинхронизации ЭЭГ выше порога двигательной реакции. Так же авторы показали, что при непосредственной электрической стимуляции коры головного мозга, порог десинхронизации был выше при односторонней дельта-синхронизации, чем при односторонней поверхностной синхронизации. Таким образом, авторы делают вывод о том, что увеличение амплитуды медленных волн при ОМС свидетельствует об углублении сна (Oleksenko et al., 1992), что согласуется со свойствами МС у наземных млекопитающих.
Как и у наземных млекопитающих, билатеральная депривация МС у дельфинов приводила к увеличению высоковольтового сна в обоих полушариях (Oleksenko et al., 1992). В отличие от наземных млекопитающих, у дельфинов, возможно, провести депривацию МС только в одном полушарии. В ходе таких экспериментов прогрессивно увеличивалось количество эпизодов сна в депривируемом полушарии, т.е. нарастала потребность в МС в депривируемом полушарии. Сразу после окончания периода депривации наблюдалась увеличение дельта активности в депривируемом полушарии по сравнению с фоновыми сутками. Таким образом, была показана невозможность компенсации потребности сна одним полушарием за счет другого. Как при однополушарной, так и при билатеральной депривации МС не наблюдалось корреляции между количеством потерянного (дефицитом) МС во время депривационных суток и количеством МС в сутках восстановления.
ПС в той форме, в какой он протекает у наземных млекопитающих (мышечные вздрагивания, глазодвигательная активность и т. д.) у дельфинов обнаружить не удалось (Mukhametov, 1986, Lyamin et al., 2008в). Однако у нескольких видов китообразных - бутылконосый дельфин (Мухаметов и др., 1997; Flanigan, 1974а; Mukhametov et al., 1988; Mukhametov, Lyamin, 1994), амазонский речной дельфин (Mukhametov et al, 1987; Oleksenko et al., 1994, 1996), белуха (Flanigan, 19746, 1975ц; Lyamin et al., 2002), касатка, Orcinus orca (Flanigan, 1975a; Lyamin et al., 2003), белобокий дельфин (Flanigan, 19756; Nelson, Lein, 1994), были обнаружены поведенческие признаки ПС наземных млекопитающих, такие как вздрагивание и быстрые движения глаз. Они чаще регистрировались во время покоя (зависание на поверхности воды, медленное стереотипное плавание), преимущественно в ночное и утреннее время, и имели также цикличный характер их появления. С другой стороны, недавние электрофизиологические исследования сна, выполненные с использование портативных цифровых полиграфов («рекордеров» или «дата-логгеров») у дельфинов-афалин, свободно-передвигавшихся в просторных бассейнах показали, что вздрагивания происходят как во время бодрствования, так и на всех этапах развития ОМС (в начале, в середине и в конце) (Lyamin, 2005 б). Идентификация ПС у наземных млекопитающих помимо ЭЭГ осуществляется по электромиограмме (ЭМГ) шейных мышц (атония) и электроокулограмме (ЭОГ) (быстрые движения глаз). Дельфинам, являющихся хорошо приспособленными животными к условиям водной среды, нет необходимости в поддержании постоянного тонуса мышц шей для преодоления сил гравитации, как у наземных млекопитающих. Поэтому ЭМГ в цикле бодрствование-сон не изменяется у дельфинов. ЭОГ у дельфинов очень низкой амплитуды и ее регистрация невозможна в воде. При отведении электрической активности от латерального геникулярного тела и гиппокампа у дельфинов не удалось обнаружить ПГО волны и тетта-активность, соответственно, являющихся маркерами у наземных млекопитающих (Мухаметов и др., 1997). Таким образом, либо ПС у дельфинов полностью отсутствует, либо существует в виде периодов длящихся не более 5-ти секунд (Мухаметов и др., 1988, 1997; Lyamin et al., 2002, 2008в).
Были предложены несколько теорий, в которых обсуждаются причины появления ОМС или АМС в эволюции морских млекопитающих:
Депривация как метод изучения механизмов сна
.После полной или избирательной депривации сна в течение первого часа восстановления наблюдается увеличение количества МС или его глубины (увеличение медленноволновой активности в диапазоне 0,5-4 Гц.), что свидетельствует, прежде всего, о гомеостатической регуляции сна (Berger et al., 1962, 1995; Williams, 1964; Webb et al., 1965; Dement, 1966; Carskadon, 1981; Brunner et al., 1993; Lucidi et al., 1997; Van Dongen et al., 2003). При 4-часовом ограничении сна в течение нескольких ночей у людей в ЭЭГ во время бодрствования наблюдается увеличение дельтаволновой активности (3,75 — 4,5 Гц) и уменьшение альфа активности (9,25 - 10 Гц) (Brunner et al., 1993). При 4-6 часовом ограничении сна в течение 14 ночей этот эффект пропадал (Van Dongen et al., 2003). Также было показано, что кратковременная полная депривация сна не влияет на высшие функции мозга (Binks et al., 1999). Что свидетельствует, во-первых, об адаптивных (приспособительных) возможностях мозга к изменяющимся условиям, а, во-вторых, о том, что в ходе депривации было сохранено достаточное количество облигатного сна. При кратковременной (24 часа или меньше) тотальной депривации сна у крыс происходит первоначальный компенсаторный ответ в виде увеличения высокоамплитудной медленноволновой активности и уменьшения моторной активности (Borbely et al., 1979, 1984; Friedman, 1979; Mistlberger, 1983, 1987; Tobler, 1986, 1990a, 1994; Trachsel et al., 1986, 1991; Franken et al., 1991, 1993; Feinberg et al. 1993; Endo, 1997;). Такие же данные были получены на кошках и кроликах (Ursin, 1971; Pappenheimer, 1975; Tobler, 1990b). Было показано, что депривация сна у крыс приводила к увеличению медленноволновой активности пропорционально продолжительности депривации (Tobler, Borbely, 1986, 1988).
Ряд авторов детально исследовали влияние полной кратковременной депривации сна на такие характеристики медленноволновой активности как частотная и амплитудная составляющие (Borbely et al., 1979; Tobler et al., 1983; Trachsel et al., 1986). Так с помощью амплитудно-частотного анализа было показано, что при общей кратковременной депривации сна восстановление частотной составляющей не зависит от изменения амплитуды медленноволновой активности, за исключение небольшого вклада амплитуды в увеличение низко-амплитудных медленных волн (Mistlberger et al., 1987).
Эксперименты показывают, что приблизительно через неделю от начала хронической депривации у крыс количество попыток уснуть МС (давление МС) уменьшается, и если прекратить депривацию, то отдачи МС не наблюдается. Вначале это давление растет, а затем, по достижении некоторого критического уровня, — спадает до минимального значения в результате постепенной адаптации структуры медленного сна к условиям депривации, что согласуется с данными полученными на людях (Ковальзон, 1993).
Опыты Рехтшаффена и сотрудников на крысах продемонстрировали, что, какой бы вид депривации сна ни проводился (тотальное лишение сна, избирательное лишение медленной или парадоксальной фазы), наибольший эффект угнетение именно ПС. Рано или поздно депривация приводит к одним и тем же последствиям (изменению внешнего вида животных, функционирования внутренних органов), которые приблизительно еще через неделю завершаются неизбежной гибелью животных (Ковальзон, 1993; Rechtschaffen et al., 1983). По данным Раманатана (Ramanathan et al., 2002) депривация сна приводит к снижению активности супероксида дисмутазы в клетках гиппокампа, что ведет к увеличению интенсивности процессов свободнорадикального окисления и в конечном итоге к гибели клеток. В ответ на усиление окислительных процессов возрастает активность антиоксидантов в период депривации (Everson et al., 2005). Депривация сна приводит к ингибированию активности нейронов основания переднего мозга (Kostin et al., 2006). Депривация ПС у крыс приводит к понижению регуляции бетта-адренэргических рецепторов в стволе мозга и гиппокампе (Pedrazzoli et al., 2004).
У крыс наблюдается резкое падение амплитуды ЭЭГ после хронической депривации, которое возникает каждый раз примерно за сутки до гибели животного. Если на этом фоне прекратить эксперимент, то крыса уже не может заснуть и амплитуда ЭЭГ не восстанавливается; смерть все равно наступает в течение суток. Следовательно, это падение амплитуды ЭЭГ указывает на необратимое нарушение работы мозга, вызванное лишением ПС. Если же прекратить опыт на позднем этапе депривации, еще до наступления этого критического момента, то наблюдается мощная отдача только ПС, независимо от того, какой вид депривации применялся - лишение всего сна, парадоксального или медленного (Rechtschaffen et al., 2002).
Эксперименты по депривации МС и ПС проводились и на птицах. Депривация сна у голубей приводила к существенному увеличению частоты моргания глаз (Lendrem, 1983) и продолжительности ПС (в течение первых 6-ти часов) периода восстановления у голубей. Количество МС в период восстановления за 6-ти часовой период не отличалось от фонового значения, однако у всех птиц наблюдался кратковременный эффект (в течение первых 2-х часов после депривации) усиления спектральной мощности в диапазоне медленных волн (0,75 - 4 Гц) (Tobler, Borbely, 1988). В работе Мартинез-Гонсалез показано, что кратковременная 8-часовая депривация МС у голубей днем не изменяет количество МС в сутках восстановления по сравнению с фоном, но в течение первых 3-х часов происходит увеличение мощности медленноволновой активности (0,78 - 2,34 Гц), т.е. регистрируется характерная для млекопитающих компенсаторная реакция. Увеличивается также и мощность в более высокочастотном диапазоне (9 - 25 Гц) (Martinez-Gonzalez et al., 2008). При депривации сна у голубей в течение 24 - 29 дней (снижение общего количества сна до 54%) количество МС в сутках восстановления не изменялось, однако количество ПС увеличилось на 98% по сравнению с фоном. В контрольной группе голубей наблюдалась такая же динамика (Newman et al., 2008). Таким образом, эффект тотальной депривации сна как и у крыс, прежде всего, заключался в изменении количества ПС и меньше МС, а также в увеличении в первые часы мощности спектра в медленноволновом диапазоне.
Свидетельство регуляции сна было обнаружено также у рептилий (кайман, игуана, сухопутная черепаха и морская черепаха). Они также подвергались процедуре депривации сна, что приводило к заметному увеличению количества ЭЭГ спайков (коррелятов поведенческого сна) в период восстановления (Tobler, 1985). У окуня, карпа и пескаря (Tobler, Borbely, 1985) активация в течение 6-24 часов приводила к увеличению поведенческого покоя в период восстановления. Эффект зависел от продолжительности депривации. Следовательно, гомео статическая регуляция сна или состояния покоя характерна не только для млекопитающих и птиц, но и для низших позвоночных, животных.
Наконец, эксперименты по депривации состояния покоя (поведенческого сна) проводились и на беспозвоночных. Так после депривации сна у кузнечиков, скорпионов, пчел и у мух был также обнаружен компенсаторный эффект в увеличении продолжительности покоя в период восстановления (Tobler, Neuner-Jehle 1992; Tobler, Stalder 1988; Shaw et al., 2000). У дрозофил депривация состояния покоя приводила к изменению в частности экспрессии генов (Cirelli, 2005).
Таким образом, методика тотальной и селективной депривации сна была опробованы как на позвоночных, так и беспозвоночных животных и оказалась эффективным методом исследования механизмов регуляции сна. Основным выводом из данных исследований является, что период восстановления последующий депривации характеризуется увеличением (отдачей сна) доли сна.
Характеристика цикла бодрствование-сон у северных морских котиков
Состояние активное бодрствование (АБ), спокойное бодрствование (СБ), МС и ПС для каждого животного, сталировали в 20-секундных эпохах визуально. АБ выделяли, когда котик перемещался в пределах вольера, чистился или кормился. Эпохи, в которых котик лежал или сидел на полу, оглядывался или менял позу считали СБ. МС стадировался, когда хотя бы в одном полушарии регистрировалась низко - или высокоамплитудная синхронизация. МС делили на 2 подстадии двумя способами - визуально и на основании спектральной мощности ЭЭГ. Первый способ заключался в том, что МС был поделен на низкоамплитудный (медленноволновая активность и веретена превышают амплитуду бодрствующей ЭЭГ не менее 1.5 раза, но волны максимальной амплитуды не превышают 50% времени эпохи) и на высокоамплитудный (медленные волны максимальной амплитуды занимали не менее 50% времени эпохи). Второй способ подробно описан в пункте 2.6. ПС стадировался, когда низкоамплитудная ЭЭГ типичная для бодрствования развивалась на фоне глубокой атонии шейной ЭМГ. Мышечные вздрагивания, вздрагивания тела отмечали визуально во время записи, просматривая видеозапись или же по характерным артефактам в ЭМГ. Продолжительность эпизодов МС и ПС рассчитывалась как число последовательных 20-секундных эпох простадированных как МС и ПС соответственно.
Спектральную мощность ЭЭГ рассчитывали в 4-х частотных диапазонах (1-4, 4-8, 8-12 и 12-16 Гц) в 5-секундных эпохах. Полиграммы просматривались визуально и эпохи содержащие артефакты в ЭЭГ удалялись из дальнейшего анализа. Большинство исключенных эпох относились к АБ и часть к СБ (35-50% всех эпох СБ для всех котиков), во время которых животные двигались. Всякий раз, когда три или четыре последовательные 5-секундные эпохи не содержали артефакты, рассчитывалась средняя мощность спектра для 20-секундного интервала. Это значение соотносили с данными визуального стадирования в соответствующих 20-секундных эпохах. В предварительных экспериментах мы обнаружили различия в абсолютных значениях мощности ЭЭГ как у разных котиков, так и между двумя полушариями у одного и того же котика. Причиной такой вариабельности могло быть колебание сопротивления кортикальных (внутрикостных) электродов и расстояний между электродами и поверхностью коры. Поэтому, мы стандартизировали мощность ЭЭГ в каждой из 4-х частотных полос (1,2- 4-, 4-8, 8-12 и 12-16 Гц) к средней мощности в соответствующем частотном диапазоне в том же полушарии в ПС. Мы выбрали нормирование к ПС вместо СБ потому, что большинство эпох ПС не содержали артефактов. Мы решили не нормировать к средней мощности МС в этом же полушарии (Rattenborg et al., 1999, 2001) потому, что общее количество сна в 2-х полушариях и мощность спектра в полосе 1,2-4 Гц у одного и того же кота могли варьировать между днями и ночами (Лямин, Мухаметов, 1998).
Для анализа спектральной композиции ЭЭГ рассчитывалась мощность спектра ЭЭГ в диапазоне 0,8-25,5 Гц с классом (шагом) 0,8 Гц в каждом состоянии (СБ, МС, ПС). Расчеты делались отдельно для каждого полушария. Для каждого функционального состояния были выбраны все эпохи, не содержащие артефактов. Далее для всех 3-х состояний спектральная мощность в каждом частотном классе нормировалась к сумме средних значений мощности спектра в ПС в диапазоне 0,8-25,5 Гц. Расчеты были сделаны для второй ночи регистрации.
Для каждого животного в начале каждой фоновой ночи брался 2-часовой фрагмент, содержащий хотя бы один эпизод высокоамплитудного МС и стадировался вручную, как это описано выше. Проведя сравнение данных визуального стадирования с данными спектрального анализа для всех котов, мы пришли к заключению, что эпохи со значениями стандартизированной мощности ЭЭГ в диапазоне 1-4 Гц меньше 10 визуально относились низкоамплитудному МС (MCI) и со значением больше 10 к высокоамплитудному МС (МС2) с вероятностью 87%. Таким образом, величина нормированной спектральной мощности МА равной 10 была принята для разделения стадий МС у котиков на 2 подстадии. .
Для оценки выраженности межполушарной асимметрии ЭЭГ, мы использовали индекс асимметрии (КА). Он рассчитывался для 20-секундных эпох СБ, MCI, МС2, МС (МС1+МС2) и ПС отдельно для каждого из 4-х частотных диапазонов (1,2-4, 4-8, 8-12 и 12-16 Гц) по формуле: где Л и П - нормированные мощности спектров лобно-затылочных отведений левого и правого полушарий, соответственно. Чтобы оценить степень латерализации спектральной мощности ЭЭГ между левым и правым полушариями в каждом из частотных диапазонов, мы рассчитывали пропорцию 20-секундных эпох с КА 0,3 и КА -0,3. Чтобы количественно охарактеризовать степень асимметрии ЭЭГ мы сравнивали процент эпох с абсолютным значением КА 0,3 и КА 0,6. Было показано (Pokidchenko et al., 2005), что у крыс независимо от состояния (СБ, МС или ПС) в большинстве 20-секундных эпох абсолютное значение КА в полосе 1,2-4 Гц было меньше 0,3 (88-99% всего СБ, МС и ПС). У крыс эпохи с КА 0,6 отсутствовали. Напротив, у дельфинов, примерно, в 80% и 60% эпох МС значение КА было 0,3 или 0,6, соответственно. Сон у крыс традиционно считался билатерально симметричным. Поэтому, мы приняли решение использовать число эпох сна с абсолютным значением КА 0,3 как оценку продолжительности (количества) билатерально симметричного ЭЭГ. Соответственно, пропорция эпох с абсолютным значением КА 0,3 и КА 0,6 будут оценкой продолжительности низко амплитудного асимметричного и высоко амплитудного асимметричного (или скорее однополушарного) ЭЭГ, соответственно. Продолжительность эпизодов МС с межполушарной асимметрией ЭЭГ (или асимметричный МС, АМС) рассчитывался как количество последовательных 20-секундных эпох со значением КА 0,3.
Параметры сна в контрольных условиях
Данное исследование показало сходство основных ритмов ЭЭГ у морских котиков с таковыми у домашних кошек (Bronzino et al., 1973) и собак (John et al., 2004), но и выявило различия между котиками и грызунами (Borbely et al., 1984; Tobler et al., 1993; Huber et al., 2000; Tobler, Deboer, 2001), которые, в первую очередь, проявились в отсутствие у котиков тета-ритма в ПС. Отсутствие выраженной тета активности в корковых отведениях у морских котиков, как и у собак (John et al., 2004), может быть связанно с большим расстоянием между гиппокампом и корой больших полушарий. У 4-х из 7 котиков регистрировалась ритмическая активность в диапазоне 8-16 Гц. Эта ритмика представляет собой в первую очередь сигма активность (или сонные веретена), которая зарегистрирована у большинства наземных млекопитающих (Буриков, 1986, 1989; Буриков и др., 1998; Сунцова, 2000; Sobieszek, 1968; Tobler, Borbely, 1986; Vyazovskiy et al., 2004), у 2-х видов настоящих тюленей (Mukhametov, 1984; Lyamin et al., 1993) и у дельфинов-афалин (Mukhametov et al., 1977).
Межполушарная асимметрия ЭЭГ характерна для млекопитающих в целом, включая человека. Она может отражать различия: 1) в восстановительных процессах в 2-х полушариях мозга (Krueger, Obal, 1993); 2) в активации симметричных областей коры во время бодрствования (Kattler et al., 1994; Pigarev et al., 1997; Vyazovskiy et al., 2000). Коэффициент асимметрии позволяет количественно оценить степень асимметрии в разных частотных диапазонах (Baehr et al., 1998; Clemens, Menes, 2000) на основании спектральной мощности ЭЭГ. У крыс, сон которых традиционно считается "билатерально-симметричным", в 88-100% эпох КА в частотном диапазоне (1,2 - 16 Гц) по абсолютному значению был больше 0,3 независимо от стадии сна и бодрствования (Pokidchenko et al., 2005). КА равный 0,3 предполагает различия в 1,8 раза. В других работах различия в мощности ЭЭГ (диапазон 1-6 Гц.) между двумя полушариями у крыс были еще меньше - не превышала 10%, т.е. КА ОД (Vyazovskiy et al., 2000, 2002). На другом полюсе находятся китообразные, сон которых преимущественно однополушарный (Mukhametov et al., 1977; Lyamin et al., 2008в). У 2-Х дельфинов-афалин в среднем 88% эпох МС имели абсолютное значение КА 0.3 в диапазоне 1,2-4 Гц и в 62% эпох КА варьировал от 0,6 до 1,0 (Pokidchenko et al., 2005). У белухи различие в мощности медленноволновой активности между двумя полушариями достигало 10 раз, что соответствует значению КА 0.8 (Lyamin et al., 2002)
У 7-ми морских котиков, исследованных в данной работе, как и у крыс, в среднем в 92±3% эпох ПС абсолютное значение КА медленноволновой ЭЭГ был меньше 0,3. Во время МС процент эпох с абсолютным значение КА 0,3 у котиков был в среднем равен 50%, т.е. значительно больше, чем у крыс, но и значительно меньше, чем у дельфинов и белух. Такая оценка степени межполушарной асимметрии ЭЭГ во время МС у котиков, сделанная с помощью КА, достаточно близка к среднему количеству АМС (59% от общего количества МС, табл. 1), сделанной на основании визуальных критериев и мощности медленноволновой ЭЭГ.
, Кроме того, межполушарная асимметрия ЭЭГ во время МС существует и у некоторых видов птиц (Amlaner, Ball, 1994; Rattenborg et al., 1999, 2001). Так у уток и голубей были обнаружены значимые различия в мощности ЭЭГ между двумя полушариями в диапазоне 2-4 Гц, но эта разница не превышала 70%, что соответствует абсолютному значению КА 0,3. Следовательно, степень межполушарной асимметрии медленноволновой ЭЭГ у птиц значительно меньше, чем у морских котиков.
У морских котиков больше, чем в 40% эпох простадированных как высокоамплитудный МС, КА в частотной полосе 12-16 Гц был больше 0,3. В работе А.В. Черноситова (2009) было показана возможность существования разных значений когерентности ЭЭГ между сенсомоторной корой и медиальным таламусом в диапазоне 7-15 Гц у крыс. Рядом авторов показано, что сонные веретена генерируются в ретикулярных ядрах таламуса и далее распространяются по таламокортикальным проекциям. В свою очередь корковая активность определяет таламическую активность (Коган и др. 1971; Вербицкий, 1980; Фельдман, Буриков, 1983; Буриков, 1986, 1989; Коган, 1988; Steriade, Timofeev, 2003). Таким образом, у людей в норме веретенообразная активность в ЭЭГ характеризуется высоким уровнем когерентности, как в пределах полушария, так и между полушариями мозга (Achermann, Borbely, 1998, 2003). Недавно было показано, что выделение ацетилхолина в коре морского котика асимметрично во время асимметричного МС с максимальной концентрацией на стороне бодрствующего полушария (Lapierre et al., 2007). Известно, что именно базальные ядра основания переднего мозга являются основным источник выделения АХ в кору и эти проекции ипсилатеральны (Semba, 2000). Поэтому, межполушарная асимметрия ЭЭГ у морских котиков и дельфинов, может быть отражением функциональной асимметрии между таламическими ядрами и симметричными (ацетилхолинэргическими) отделами переднего мозга, которые посылают восходящие активирующие проекции в кору. Таким образом, возможно, что "однополушарный сон" у китообразных и ластоногих семейства ушастые тюлени не только кортикальный феномен.
В данной работе мы наблюдали значительные различия между количеством сна в 2-х полушариях и латерализацией мощности ЭЭГ как на индивидуальном (сравнивая разные ночи у одного котика), так и групповом уровне (сравнивая разных животных). Различия в количестве левого и правого асимметричного МС была выражена в течение 2-х последовательных ночей только у 2-х из 7-ми котиков. У остальных 5-ти из 7-ми животных латерализация была статистически значима только в одну ночь или же отсутствовала. Эксперименты на одном животном также допускают возможность латерализации ритма ЭЭГ в течение длительного периода времени у одного животного. Полученные данные согласуются с ранее опубликованными результатами о возможности больших различий в количестве сна в 2-х полушариях у дельфинов и котиков в отдельно взятых суточных сеансах и сравнительно небольших различиях в среднем количестве сна в 2-х полушариях при усреднении за несколько дней (Лямин, Мухаметов, 1998; Мухаметов и др., 1997), т.е. о равных потребностях 2-х полушарий в количестве МС. Новые данные позволяют сделать вывод и об отсутствии у морских котиков значимой латерализации мощности ЭЭГ в 2-х полушариях в диапазоне от 1,2 до 16 Гц, а также об отсутствии такой латерализации на индивидуальном уровне.
У всех исследованных котиков были зарегистрированы эпизоды МС с асимметрией ЭЭГ. Хотя подавляющее большинство таких эпизодов длились не более минуты, некоторые из них длились дольше, чем 9 минут. Что в первую очередь указывает, что ЭЭГ асимметрия у котиков это устойчивый функциональный паттерн, а не пространственно-временные различия в распространении синхронизации по коре больших полушарий.
