Недостаток сна и неврологические расстройства

Депривация сна и стресс: нейробиологические взаимосвязи

02.12.2022

Published by Natallia at 05.12.2022

Недостаток сна и неврологические расстройства

Сон играет важную роль в поддержании нейронных цепей, передаче сигналов и помогает поддерживать общее состояние здоровья и благополучия. Депривация сна (СД) нарушает циркадную физиологию и оказывает негативное влияние на мозг и поведенческие функции. SD ухудшает клеточный клиренс белков нейротоксинов с неправильной укладкой, таких как α-синуклеин, амилоид-β и тау, которые участвуют в основных нейродегенеративных заболеваниях, таких как болезнь Альцгеймера и болезнь Паркинсона. Кроме того, показано, что SD влияет на глимфатическую систему, глиально-зависимый путь выведения метаболических отходов, вызывая накопление неправильно свернутых дефектных белков в синаптических компартментах, что приводит к снижению когнитивных функций. Кроме того, SD влияет на иммунологическую и окислительно-восстановительную системы, что приводит к нейровоспалению и окислительному стрессу. Следовательно, важно понимать молекулярные и биохимические изменения, которые являются причинными факторами, приводящими к этим патофизиологическим эффектам на нейронную систему. Данный обзор является попыткой в этом направлении. Он предоставляет актуальную информацию об изменениях в ключевых процессах, путях и белках, на которые негативно воздействует СД и которые, если их оставить без внимания, становятся причинами неврологических расстройств в течение дли

1. Введение

Сон — это повсеместное явление, происходящее у форм жизни животного царства, и было показано, что он присутствует от Drosophila melanogaster (дрозофилы) до человека. Сон является жизненно важным компонентом для здоровой работы мозга, а лишение сна (SD) — это сокращение времени сна ниже исходной потребности человека, в то время как ограничение сна (SR) относится к частичной потере сна. Сообщается, что SD и SR влияют на общее самочувствие и здоровье, включая, помимо прочего, снижение иммунной системы, снижение когнитивных функций и памяти, обучение и нарушение эмоционального благополучия [1].

Национальный фонд сна США предполагает, что 7-8 часов сна необходимы для поддержания и восстановления метаболического гомеостаза [2]. Есть две стадии сна: (i) медленное движение глаз (NREM) и (ii) быстрое движение глаз (REM). NREM подразделяется на четыре различных этапа в зависимости от глубины и характера волн, движения глаз и мышечной силы во время сна. Быстрый сон характеризуется неравномерной активностью мозговых волн, мышечной атонией и учащением движений глазных яблок [3].

Сон регулируется двумя процессами, которые работают независимо и влияют на сон и связанные со сном переменные в сочетании с «реостатом» [4]:

(1) циркадный ритм — процесс, поддерживаемый биологическими часами в супрахиазматическом ядре (СХЯ) в гипоталамусе, который регулирует циклы сна-бодрствования в ответ на вход от сетчатки [5];
(2) гомеостатический процесс — потеря сна компенсируется за счет продления последующего сна, что является функцией продолжительности бодрствования и прерывистого дневного сна в период бодрствования. В часы бодрствования склонность ко сну со временем постепенно усиливается и достигает критического порога; это стремление ко сну называется гомеостатическим.

Сон помогает поддерживать метаболический гомеостаз за счет нервной, гормональной и иммунной поддержки [6]. Медленный сон характеризуется низкой скоростью метаболизма и повышением температуры мозга, что помогает преодолеть повреждения, возникающие во время цикла бодрствования [7]. Исследование, проведенное на вахтовиках, показало, что СД изменяет метаболизм глюкозы и липидов [8], что свидетельствует о роли сна в метаболической дисфункции. Краузе и др. сообщили, что SD влияет на внимание и рабочую память, положительные и отрицательные эмоции и обучение гиппокампа [9].

Все большее число людей во всем мире поражается эпидемией СД [10]. SD нарушает симпатические функции, что, в свою очередь, вызывает метаболическую дисрегуляцию [11, 12]. Кроме того, SD модулирует иммунные функции и увеличивает высвобождение провоспалительных цитокинов, таких как интерлейкин 6 (IL-6), фактор некроза опухоли (TNF-α) и С-реактивный белок (CRP) [13]. Ограничение сна увеличивает пролактин и окситоцин и снижает массу тела у беременных крыс. У потомства этих крыс обнаруживается сниженная экспрессия нейротрофического фактора гиппокампа головного мозга (BDNF), что свидетельствует о вредной роли SR в отношении факторов роста нейронов на стадии развития [14]. Потеря сна на стадиях развития уменьшает размер мозга и изменяет поведение и нервный гомеостаз [15]. Исследования электроэнцефалограммы показали, что СД способствует межприступным эпилептиформным разрядам и возбудимости нейронов, вызывая активацию судорожных эпизодов [16]. SD также был связан с нарушением когнитивной функции у людей. Недавнее исследование показало, что однодневная СД увеличивает нагрузку амилоида-β в области гиппокампа [17]. Таким образом, появляется все больше свидетельств того, что SD связана со многими нейродегенеративными заболеваниями и неврологическими расстройствами. В этом обзоре мы пытаемся предоставить информацию о связи между лишением сна/ограничением изменений экспрессии генов и патофизиологическими механизмами, связанными с неврологическими расстройствами.

2. Сон и анатомические структуры мозга

Сон и его механизм контролируются определенными областями мозга. Микроанатомически клеточные тела нейронов, продуцирующие нейротрансмиттеры, играющие роль в механизмах сна, обычно располагаются в одном регионе, тогда как концевые концы аксонов нейронов выступают в другом месте [18]. В мозге млекопитающих тела нейронов, участвующих в процессе сна, расположены в стволе мозга, а аксоны заканчиваются в центрах, расположенных в полушариях головного мозга. Сон влечет за собой закономерное взаимодействие между корой головного мозга, таламусом и подкорковыми областями, такими как ствол мозга. Согласно [19], «приливы и отливы нейротрансмиттеров переключают наш мозг между сном и бодрствованием в тщательно регулируемых циклах в нескольких областях мозга».

Гипоталамус расположен глубоко в головном мозге, проксимальнее гипофиза. Он содержит тысячи тел нервных клеток, называемых супрахиазматическими ядрами (СХЯ), которые получают информацию о воздействии света для контроля цикла сна и бодрствования [20]. Шишковидная железа находится в углублении между верхними холмиками. Благодаря его многочисленным соединениям регулируется производство нейрогормона мелатонина, способствующего сну; следовательно, он играет ключевую роль в регулировании циркадного ритма. Было высказано предположение, что миндалевидное тело, структура, отвечающая за обработку эмоций, очень активна во время сна с быстрыми движениями глаз (REM), что объясняет совместное возникновение расстройств настроения с нарушениями сна [21].

Нейроны ретикулярной активирующей системы играют центральную роль в регуляции бодрствования. Компоненты ствола головного мозга (средний мозг, мост и продолговатый мозг) связаны с гипоталамусом, чтобы контролировать цикл бодрствования и сна. Средний мозг связан со зрением, слухом, моторным контролем, циклами сна и бодрствования, бдительностью и регулированием температуры. Мост и продолговатый мозг, в частности, связаны с нисходящими нервными путями, которые поддерживают мышечную активность, положение тела и движения конечностей в расслабленном состоянии. Ядра ствола мозга, участвующие в процессах сна, включают холинергические ядра в области перехода моста в средний мозг, ядра шва, туберомаммилярные ядра и голубое пятно [18]. Таламус действует как центр ретрансляции информации от основных органов чувств к коре. Он очень активен во время быстрого сна, поскольку восходящая ретикулярная активирующая система ствола мозга (ARAS) переключается на несколько промежуточных участков (включая таламус), чтобы активировать передний мозг во время бодрствования и быстрого сна [22]. Повреждение таламуса может повлиять на правильную работу мозга как во время бодрствования, так и во время сна у людей [23]. Сообщалось, что холинергические нейроны в базальной области переднего мозга способствуют сну за счет высвобождения побочного продукта клеточной энергии, аденозина. Известно, что кофеин и некоторые лекарства противодействуют сонливости, блокируя действие аденозина [24].

3. Сон и нейронные цепи

Участие нейронных цепей в циклах сна-бодрствования было впервые изучено Магуном и Моруцци в 1949 году [25]. Они показали, что стимуляция холинергических нейронов вблизи моста и среднего мозга вызывает бодрствование и возбуждение. Кроме того, стимуляция таламической области низкочастотным импульсом вызывает медленноволновой сон. Это исследование дало представление о взаимодействии между таламусом и корой во время сна (рис. 1).

Недостаток сна и неврологические расстройства — (а) Структуры мозга, участвующие в фазе быстрого сна. PPT/LDT инициирует срабатывание во время быстрого сна и помогает переключаться между NREM-сном и REM-сном. ГАМКергические нейроны в гипоталамусе способствуют быстрому сну путем инактивации vlPAG/dDpMe REM-выключенных ГАМКергических нейронов. SLD состоит из проекций к глицинергическому нейрону Raphe magnus, вентральному и альфа-гигантоцеллюлярному ядрам, латеральному парагигантоцеллюлярному ядру, а также спинномозговым, лицевым, тройничным нейронам и тем самым вызывает мышечную атонию во время быстрого сна.

4. Геномика и лишение сна

Гиппокамп является ключевой структурой мозга, участвующей в пространственной, контекстуальной и декларативной памяти. Формирование памяти зависит от экспрессии различных генов/белков [55, 56]. Зависимая от гиппокампа консолидация памяти критически нарушена при SD [57, 58]. Показано, что SD влияет на сигнальные механизмы, регулирующие процессы транскрипции и трансляции, вовлеченные в память [59]. Полногеномный микрочиповый анализ, проведенный Vecsey et al. [60] показали группу генов, которые по-разному регулируются у животных с SD по сравнению с животными с нормальным режимом сна. Tsc22d3, Prkab2, Adamts2, Htr1a, Kcnv1 и Sirt7 — это гены, проявляющие повышенную регуляцию. Tsc22d3 отрицательно регулирует консолидацию памяти и нейронную пластичность, и, как сообщается, его экспрессия повышается после SD. Prkab2, субъединица AMPK, подвергается гиперфосфорилированию после SD и изменяет гомеостатический ответ. Кроме того, SD также изменяет экспрессию некоторых генов в коре, таких как Arc/Arg3.1, Fos, Hnrpdl, Rbm3 и шаперонов Hspa5/Bip и Hspa8 [60].

SD нарушает синтез белка; он подавляет такие гены, как Eif4e2 и Eif5, которые участвуют в инициации транскрипции, и такие гены, как Rprd2, Rbm3, Hnrpdl, Cirbp, RbmX и Denr, участвующие в процессе трансляции [60]. Пожалуйста, обратитесь к дополнительным материалам (доступным здесь) для таблицы и графического представления генов, регулируемых вверх и вниз после SD.

5. Сон и неврологические расстройства

Болезнь Альцгеймера (БА) представляет собой прогрессирующее нейродегенеративное заболевание, патологически характеризующееся отложением внеклеточных амилоидных β-(Aβ-) бляшек, внутриклеточных клубков и потерей нейронов [61]. Исследования показали прямую корреляцию между SD и нейропатологическими событиями, связанными с AD [62]. Сон играет решающую роль в выведении токсичных метаболитов, вырабатываемых в мозгу. Два исследования с использованием фотонной микроскопии показали, что β-амилоид в головном мозге очищается за счет астроглиально-опосредованного потока интерстициальной жидкости (ISF), называемого «Glymphatic Pathway», а также за счет γ-колебаний во время REM-сна [63]. Клиренс Aβ увеличивается на 25-30% во время сна по сравнению с состоянием бодрствования [64]. Сон увеличивает объемный поток интерстициальной жидкости (ISF) в спинномозговую жидкость (CSF), тем самым увеличивая клиренс Aβ [65]. С другой стороны, SD увеличивает нагрузку Aβ, и его клиренс приводит к AD [65, 66]. Клинические отчеты показывают, что уровни Aβ в спинномозговой жидкости высоки перед сном и низки после сна [67]. Анализ позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) показывает, что SD увеличивает Aβ в гиппокампе, предклинье, таламусе и коре человека [17]. Это отложение Aβ вызывает структурные и функциональные изменения в мозге при БА. Агрегация Aβ в области гиппокампа приводит к образованию амилоидных бляшек, которые ингибируют нейрогенез и приводят к когнитивной дисфункции [17]. SD активирует экспрессию процессинга BACE1 и APP, которые также играют важную роль в AD [68]. SD повышает уровень кортизола, вызывающего стресс, который, как было показано, ухудшает когнитивные функции у пациентов с AD [69].

Стресс напрямую влияет на мозг тремя различными способами: (а) он усиливает агрегацию тау за счет гиперфосфорилирования и вызывает генетические изменения в ДНК [71]; (b) он снижает синаптическую плотность и количество нейронов и увеличивает отложение Aβ; и (c) он также ухудшает сердечно-сосудистые, метаболические и желудочно-кишечные функции и ослабляет иммунную систему [70]. Хронический стресс вызывает дисбаланс гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой (ГГН) оси, что приводит к накоплению Aβ и тау-белков, когнитивным нарушениям и гибели нейронов, что приводит к БА [71].

Сон – жизненно важное явление и показатель общего состояния здоровья. Нормальный сон очень важен для памяти и здоровья мозга, поскольку во время сна задействованы различные нейронные цепи мозга. Лишение сна превратилось в серьезную угрозу в современном обществе. SD ухудшает LTP и молекулы, связанные с памятью, и приводит к когнитивной дисфункции. SD также ухудшает клиренс токсических метаболитов, продуцируемых в головном мозге, и вносит вклад в патофизиологию неврологических расстройств, таких как AD, PD и церебральный инсульт. SD также вызывает дисбаланс в иммунной системе и усугубляет патофизиологию рассеянного склероза и глиомы. Можно сделать вывод, что СД неблагоприятно влияет на различные белки, гены и молекулярные каскады при нейродегенеративных заболеваниях.

Данная статья написана по материалам обзора: Muhammed Bishir, Abid Bhat, Musthafa Mohamed Essa, Okobi Ekpo, Amadi O. Ihunwo, Vishnu Priya Veeraraghavan, Surapaneni Krishna Mohan, Arehally M. Mahalakshmi, Bipul Ray, Sunanda Tuladhar, Sulie Chang, Saravana Babu Chidambaram, Meena Kishore Sakharkar, Gilles J. Guillemin, M. Walid Qoronfleh, David M. Ojcius, «Sleep Deprivation and Neurological Disorders», BioMed Research International, vol. 2020, Article ID 5764017, 19 pages, 2020.

Берегите себя!

Записаться на консультацию к специалисту Центра иммерсивной психологии CleverUp ЗДЕСЬ

Много полезной информации по теме осознанного биохакинга, управлению мозгом и телом, антистрессовых техниках и литературы для скачивания в нашем телеграм-канале https://t.me/cleverpoint.

Свежие эфиры, сторис и актуальные посты в Instgram аккаунте @center.cleverup

Список использованной литературы:

1. L. Graves, A. Pack, and T. Abel, “Sleep and memory: a molecular perspective,” Trends in Neurosciences, vol. 24, no. 4, pp. 237–243, 2001.

2. R. Killick, S. Banks, and P. Y. Liu, “Implications of sleep restriction and recovery on metabolic outcomes,” The Journal of Clinical Endocrinology & Metabolism, vol. 97, no. 11, pp. 3876–3890, 2012.

3. N. Kleitman, Sleep and Wakefulness, University of Chicago Press, 1963.

4. T. Deboer, “Sleep homeostasis and the circadian clock: do the circadian pacemaker and the sleep homeostat influence each other’s functioning?” Neurobiology of Sleep and Circadian Rhythms, vol. 5, pp. 68–77, 2018.

5. N. Santhi, H. C. Thorne, D. R. van der Veen et al., “The spectral composition of evening light and individual differences in the suppression of melatonin and delay of sleep in humans,” Journal of Pineal Research, vol. 53, no. 1, pp. 47–59, 2012.

6. L. Aldabal and A. S. Bahammam, “Metabolic, endocrine, and immune consequences of sleep deprivation,” The Open Respiratory Medicine Journal, vol. 5, no. 1, pp. 31–43, 2011.

7. E. C. Harding, N. P. Franks, and W. Wisden, “The temperature dependence of sleep,” Frontiers in Neuroscience, vol. 13, 2019.

8. D. C. Ribeiro, S. M. Hampton, L. Morgan, S. Deacon, and J. Arendt, “Altered postprandial hormone and metabolic responses in a simulated shift work environment,” Journal of Endocrinology, vol. 158, no. 3, pp. 305–310, 1998.

9. A. J. Krause, E. B. Simon, B. A. Mander et al., “The sleep-deprived human brain,” Nature Reviews Neuroscience, vol. 18, no. 7, pp. 404–418, 2017.

10. C. Hublin, J. Kaprio, M. Partinen, and M. Koskenvuo, “Insufficient sleep—a population-based study in adults,” Sleep, vol. 24, no. 4, pp. 392–400, 2001.

11. K. Spiegel, R. Leproult, M. L’hermite-Balériaux, G. Copinschi, P. D. Penev, and E. Van Cauter, “Leptin levels are dependent on sleep duration: relationships with sympathovagal balance, carbohydrate regulation, cortisol, and thyrotropin,” The Journal of Clinical Endocrinology & Metabolism, vol. 89, no. 11, pp. 5762–5771, 2004.

12. B. S. Sushmita, T. Sunanda, K. M. Prathibha et al., “Sleep and gonadotrophin hormones,” International Journal of Nutrition. Pharmacology, Neurological Diseases, 2020.

13. G. Hurtado-Alvarado, L. Pavón, S. A. Castillo-García et al., “Sleep loss as a factor to induce cellular and molecular inflammatory variations,” Clinical and Developmental Immunology, vol. 2013, Article ID 801341, 14 pages, 2013.

14. G. V. E. Pardo, J. F. Goularte, A. L. Hoefel et al., “Effects of sleep restriction during pregnancy on the mother and fetuses in rats,” Physiology & Behavior, vol. 155, pp. 66–76, 2016.

15. M. Mirmiran, J. Scholtens, N. E. van de Poll, H. B. Uylings, J. van der Gugten, and G. J. Boer, “Effects of experimental suppression of active (REM) sleep during early development upon adult brain and behavior in the rat,” Developmental Brain Research, vol. 7, no. 2–3, pp. 277–286, 1983.

16. P. Halász, “How sleep activates epileptic networks?” Epilepsy Res Treat., vol. 2013, article 425697, pp. 1–19, 2013.

17. E. Shokri-Kojori, G.-J. Wang, C. E. Wiers et al., “β-Amyloid accumulation in the human brain after one night of sleep deprivation,” Proceedings of the National Academy of Sciences, vol. 115, no. 17, pp. 4483–4488, 2018.

18. A. Eban-Rothschild, L. Appelbaum, and L. de Lecea, “Neuronal mechanisms for sleep/wake regulation and modulatory drive,” Neuropsychopharmacology, vol. 43, no. 5, pp. 937–952, 2018.

19. M. Peplow, “Structure: the anatomy of sleep,” Nature, vol. 497, no. 7450, pp. S2–S3, 2013.

20. M. H. Hastings, E. S. Maywood, and M. Brancaccio, “Generation of circadian rhythms in the suprachiasmatic nucleus,” Nature Reviews Neuroscience, vol. 19, no. 8, pp. 453–469, 2018.

21. E. van der Helm, J. Yao, S. Dutt, V. Rao, J. M. Saletin, and M. P. Walker, “REM sleep depotentiates amygdala activity to previous emotional experiences,” Current Biology, vol. 21, no. 23, pp. 2029–2032, 2011.

22. R. E. Brown, R. Basheer, J. T. McKenna, R. E. Strecker, and R. W. McCarley, “Control of sleep and wakefulness,” Physiological Reviews, vol. 92, no. 3, pp. 1087–1187, 2012.

23. N. D. Schiff, J. T. Giacino, K. Kalmar et al., “Behavioural improvements with thalamic stimulation after severe traumatic brain injury,” Nature, vol. 448, no. 7153, pp. 600–603, 2007.

24. J. A. Ribeiro and A. M. Sebastião, “Caffeine and adenosine,” Journal of Alzheimer’s Disease, vol. 20, Suppl 1, pp. S3–S15, 2010.

25. G. Moruzzi and H. W. Magoun, “Brain stem reticular formation and activation of the EEG,” Electroencephalography and Clinical Neurophysiology, vol. 1, no. 1-4, pp. 455–473, 1949.

26. D. J. McGinty and M. B. Sterman, “Sleep suppression after basal forebrain lesions in the cat,” Science, vol. 160, no. 3833, pp. 1253–1255, 1968.

27. R. Szymusiak and D. McGinty, “Sleep-related neuronal discharge in the basal forebrain of cats,” Brain Research, vol. 370, no. 1, pp. 82–92, 1986.