Что значит медленный сон и быстрый: Спи крепче: почему глубокий сон важен и как его улучшить

А в последние годы вообще выяснилось, что в мозге есть еще и второй центр медленного сна, говорит Ковальзон.

— В итоге оказалось, что система перевода нашего мозга из бодрого состояния в состояние медленного сна, пожалуй, не менее сложна, чем система поддержания бодрствования, — подытоживает ученый.

При этом сон человека — консолидированный. Это значит, что спать нам надо непрерывно, и, поскольку мы дневные животные, непрерывно спать надо именно ночью, а не непонятно когда. Поэтому к вызывающему интерес биохакеров полифазному сну (когда спят не один раз в сутки, а много раз, но короткими периодами) Ковальзон относится крайне скептически.

Это лучший способ разрушить свой организм, говорит ученый. Ведь ночной сон имеет циклы в полтора часа, так что, если вы спите ночью урывками по 20 или 30 минут, вы не выспитесь. К тому же вечерний сон не похож на утренний, то есть вы никак не сэкономите — нужно обязательно «досыпать» норму.

При этом давно замечено, что в течение дня у многих людей наступает по крайней мере два периода сонливости. Одним из способов преодолеть эту сонливость, по мнению ученого, можно считать дневной сон, практикуемый в некоторых культурах, — сиесту. При этом сонливость взрослых совпадает по времени с периодами сна у маленьких детей. Владимир Ковальзон считает, что это нормально и для многих людей полезно вздремнуть днем, и многие крупные компании даже организуют для своих сотрудников комнаты отдыха, где это можно сделать. Возможно, такая дневная сонливость — отражение режима сна наших предков, которые имели привычку делать перерыв на сон в течение дня.

Существует и другой взгляд на режим сна: некоторые историки считают, что европейцы доиндустриальной эпохи спали дольше и при этом разбивали сон на две части, но не на ночную и дневную, а на две ночных: ложились спать сразу после захода солнца, после полуночи бодрствовали какое-то время, а затем засыпали до рассвета.

Таким образом, по словам Владимира Ковальзона, сегодня сомнологам известны как минимум четыре разных специфических «сомнологических» механизма: бодрствование, медленный сон, быстрый сон и биологические часы. Каждый имеет свою анатомию, физиологию, биохимию, эволюционное происхождение — их можно рассматривать, до некоторой степени, как независимые «блоки» центральной нервной системы, которые друг с другом взаимодействуют.

Как появился сон

— Сон это не анатомический признак, который можно проследить на ископаемых. Сделать это можно, только сравнивая более древние виды животных и эволюционно более молодые. Парадокс в том, что быстрый сон по всем характеристикам очень древнее состояние: оно запускается в древних структурах мозга, терморегуляция на это время исчезает — если с человека утром стянуть одеяло, температура его тела будет падать, пока не достигнет окружающей или пока ему не станет холодно и он не проснется, — говорит Кольвазон.

Но если так, быстрый сон должен обнаруживаться у рептилий и беспозвоночных — более «архаичных» животных, чем млекопитающие и птицы. Но это не так: сон крокодила или, например, осьминога монотонен, в нем нет периодичности, как у человека. А вот у примитивных млекопитающих вроде опоссумов или утконосов обе фазы сна уже есть.

При этом предшественником медленного сна можно назвать состояние покоя у более примитивных организмов: рыбок данио-рерио, дрозофил и круглых червей C. elegans. В состоянии покоя у них активируются гены, гомологи которых есть у человека, и активируются те именно в состоянии медленного сна. То есть он существует исторически дольше, чем быстрый сон, а тот, в свою очередь, должен был появиться в какой-то момент эволюции, и по многим признакам — у холоднокровных.

— Чтобы разрешить этот парадокс, я предположил, что быстрый сон произошел не из состояния покоя, а из некоторого активного состояния наших холоднокровных предков, — рассказывает Ковальзон. — То есть активность холоднокровных или ее часть превратилась в быстрый сон теплокровных. А покой превратился у теплокровных в медленный сон. И чтобы мы во время быстрого сна не двигались и не «изображали» то, что нам снится, в головном мозге есть специальная система, которая выключает двигательные нейроны спинного мозга, и человек во время сновидения находится в стадии паралича.

Одним из признаков архаичности быстрого сна, по словам ученого, считается его преобладание на ранних ступенях жизни: младенцы большую часть первых недель жизни спят так называемым активированным сном — предшественником быстрого сна взрослых.

— Активированный сон отличается от быстрого тем, что у младенцев электрическая активность мозга почти не отличается в разных состояниях: мозг еще не созрел, поэтому активированный сон определяют по движениям глаз, подергиваниям, ослаблению тонуса мышц. Но постепенно активированный сон младенца превращается в быстрый сон взрослого человека, а не во что-то другое, — говорит сомнолог.

Он считает, что активированный сон нужен для дальнейшего формирования мозговой ткани. Мозг для правильного формирования своих систем: зрительной, слуховой и других — нуждается в большом потоке информации. Но во внутриутробный и ранний постнатальный периоды развития ребенка достаточного объема внешних сигналов для этого не хватает.

— Наши младенцы рождаются по крайней мере зрячими и начинают слышать практически сразу, а у собак и кошек, например, детеныши вообще рождаются слепыми, — поясняет Кольвазон. — Поэтому во время активированного сна происходит эндогенная стимуляция мозга, она как бы заменяет нехватку внешней стимуляции. Эта гипотеза выдвинута еще в 1966 году, и, хотя прямого подтверждения пока не получала, косвенных данных в ее пользу много.

Юрий Пастухов, главный научный сотрудник института эволюционной физиологии и биохимии им. Сеченова РАН, обращает внимание на другой важный признак быстрого сна — он более выражен у животных, незрелых при рождении (например, кошек, крыс, собак), имеющих в начале жизни пониженную скорость основного метаболизма и уровень энерготрат.

— Морская свинка зрелорождающаяся — посмотрите, как мало у нее быстрого сна, — говорит Пастухов. — И как во много раз больше его у крысы и кошки, особенно в первый период после рождения. По-видимому, в это время большинство аксонов у незрелорождающихся не достигает своих мишеней и процессы синаптогенеза (зарождения и развития связей между нервными клетками мозга — прим. «Чердака») остаются незавершенными. Частые и длительные эпизоды парадоксального сна в результате могут обеспечивать эндогенную активацию нервной системы, мозга [необходимых для «дозревания» мозга детеныша], — говорит Пастухов.

Регуляция сна

Механизм, который постепенно погружает нас в сон каждую ночь, поддерживает в этом состоянии какое-то время, а затем будит, регулируется сразу несколькими системами мозга. Самая актуальная на сегодняшний день модель регуляции — двухкомпонентная: в ней есть т.н. гомеостатический фактор, фактор S, и околосуточный, или циркадианный, фактор C.

—  Нарастание бодрствования — это нарастание гомеостатического фактора. Неизвестно, что за ним кроется, но его индикатор — так называемый дельта-индекс электрической активности мозга, — объясняет Владимир Ковальзон. — Он работает как своего рода песочные часы, которые два раза в сутки переворачиваются внутри нас. Этот процесс ощущается как постепенное нарастание сонливости в ходе бодрствования. Он минимален в момент пробуждения и максимален перед самым засыпанием. Циркадианный фактор — это «часы со стрелкой», которая совершает полный оборот чуть больше, чем за 24 часа.

— Взаимодействие этих факторов, их сумма определяют наше состояние в каждый момент времени. Даже если вы не спали в положенное время, но циркадианный фактор показывает, что вы бодры, вы будете бодры — вы как бы забыли, что не спали. Но в следующий период через несколько часов, когда эти факторы совпадут по фазе, у вас будет неудержимое засыпание, вы будете спать в транспорте и вообще где угодно. То есть для сна и бодрствования надо, чтобы эти два фактора — гомеостатический и циркадианный — находились в определенном соотношении. Сон начинается, когда их сумма или разность достигает некоторого порога, и прекращается, когда она уменьшается до нуля, — говорит Ковальзон.

Недавно ученые открыли и третий, ультрадианный фактор, связанный с повышением и понижением уровня определенных гормонов в крови.

— Этот фактор связан с полуторачасовым ритмом ночного сна, который в бодрствование часто исчезает. Его не у всех людей удается выявить. Но у некоторых он очень выражен днем и определяет периодическую полуторачасовую смену голода, жажды и других факторов, — говорит Ковальзон. — 45-минутный академический час — это полупериод этого полуторачасового ритма. Еще в давние времена установлено, что концентрация внимания обучающегося через 45 минут снижается: внимание рассеивается и человек начинает клевать носом. Поэтому нужно устраивать перерыв между лекциями, человек бодрится — и ритм перезапускается.

Координируются все эти сложные процессы в гипоталамусе. На его дорсомедиальное ядро, объясняет ученый, стекаются самые разные импульсы, проходят там обработку, и на выход подается определенный сигнал. Здесь находятся особые группы нейронов, супрахизмальные ядра, которые совместно с эпифизом, вырабатывающим «гормон тьмы» мелатонин, регулируют работу биологических часов. Эти часы, однако, работают совместно только с гомеостатическим фактором медленного сна, а быстрым сном, видимо, управляют другие механизмы.

— Понятно, что, чтобы головной мозг из бодрствования не сразу в кому провалился, а перешел в физиологически здоровый медленный сон, должны быть такие механизмы, которые плавно выключают бодрствование и так же плавно переводят нас в состояние сна, — продолжает Ковальзон. — Ведь в дикой природе внезапное включение сна было бы чревато самыми тяжелыми последствиями. Должна быть возможность у животного найти себе укрытие, а не «бежал-бежал и свалился спать».

Для этого эволюция выработала специальный центр, который находится недалеко от парабрахиального ядра мозга. Он занимается тем, что в определенное время начинает тормозить активирующие нейронные процессы и, таким образом, занимается нашим переходом от бодрствования к медленному сну.

— И таких механизмов найдено уже несколько на разных уровнях мозговой оси, и все они заняты тем, что плавно и координированно выключают центр бодрствования в мозге. Это позволяет человеку медленно войти в медленный сон и поддерживать это состояние на определенном уровне, — говорит ученый.

Зачем нужен сон

И здесь мы наконец подбираемся к главному вопросу. Зачем нам такая сложная система регуляции сна с разными факторами, со множеством нервных центров и переключателей? Зачем нужен сон медленный и сон быстрый? Почему ни мы, ни другие живые существа не могут не спать? Ответ неутешительный: ученые до сих пор точно не знают.

Казалось бы, почему бы просто не сказать, что сон нужен, чтобы тело отдохнуло? Ученые долгое время придерживались этой гипотезы, но за последнюю четверть XX века накопилось много данных, ей противоречащих: оказалось, например, что морские котики 2/3 своего пребывания на суше лежат с закрытыми глазами, но спят только половину этого времени. Дельфины во время сна не прекращают физической активности. В то же время наблюдения обездвиженных ниже шеи больных показали, что сон у них сохранялся, хотя и потребности в соматическом отдыхе, казалось бы, у них нет. Это значит, что сон не тождественен физическому покою, а отсутствие физической нагрузки не отменяет необходимости сна.

Второй очевидный ответ: сон нужен самому мозгу. Существует подтвержденная несколькими экспериментами гипотеза, согласно которой сон спасает нейроны от перегрузки, ослабляя их связи между собой, и помогает полученной за день информации «разложиться по полочкам».

Совсем недавно ученые открыли в мозге так называемую глимфатическую систему, которая занимается выведением из мозга вредных метаболитов, то есть его очищением. Интенсивнее всего оно происходит именно ночью, во время временного сна, и ученые полушутя называют эту гипотезу «вантузной».

Уже накоплено много данных о том, какие процессы происходят в мозге во время сна. Остается непонятным главное — почему все эти процессы не могут происходить во время бодрствования.

Одним из первых ученых, выявивших жизненную необходимость сна для организма, была российский физиолог Мария Манасеина. Она задалась вопросом: что будет, если убрать сон из жизни животного?

— Манасеина не давала спать щенкам, и через пять-шесть дней все они дружно умирали. А если таким же щенкам не давали есть, но давали спать, они жили по 25 дней. Стало ясно, что сон нужен для обеспечения жизнедеятельности организма, — говорит главный научный сотрудник лаборатории передачи информации в сенсорных системах Института проблем передачи информации РАН Иван Пигарев. — Но этот ясный ответ входил в противоречие со страшным предрассудком, которого тогда придерживались все исследователи сна, — априорной уверенности в том, что сон нужен прежде всего для мозга. И идея о том, что сон нужен для обеспечения жизнедеятельности организма, была очень быстро забыта.

Позже эксперименты повторяли на крысах, и результат был налицо: расстройство желудочно-кишечного тракта, язвы желудка и кишечника, выпадение шерсти, язвы на коже и наконец смерть.

— Но единственный орган, который внешне не давал никаких отклонений от нормы, был мозг, — продолжает Иван Пигарев. — Он у животных, которые погибли от депривации сна, был такой же, как у свежей здоровой крыски. В этом главный парадокс сна: наиболее яркие изменения при переходе от бодрствования ко сну наблюдаются в работе коры головного мозга. Но драматические последствия лишения сна проявляются прежде всего в висцеральной сфере (имеется в виду, относящейся к внутренним органам — прим. «Чердака»). Эксперименты XX века делались на бодрствующих животных. Когда у них исследовали топографию поверхности коры, было показано, что в бодрствовании нет «представительства» висцеральных органов, поэтому непонятно, чем занимаются нейроны коры во время сна. Ведь в это время они не отдыхают, а работают, и часто еще интенсивнее, чем днем, но поступление информации из внешнего мира перекрыто, и ничто в кору не поступает.

По мнению Пигарева, ученые до сих пор не в состоянии связать эти явления одной экспериментально проверяемой гипотезой. Он же предположил, что ночью мозг переключается с восприятия внешнего мира на анализ внутреннего состояния организма, проводит своего рода «перекличку» органов и занимается их починкой.

 — Это оказалось очень просто объяснить, когда в наш мир вошли компьютеры, — говорит Пигарев. — Компьютер построен на универсальных процессорах, которые решают информационные задачи и совершенно не знают, что они решают: в них приходит информация, они ее обрабатывают и выдают результат. Так, может быть, кора мозга это вовсе не констелляция специализированных зон для зрения, слуха, соматической чувствительности, а просто процессор, который в бодрствовании получает сигналы из внешнего мира и обрабатывает их для обеспечения поведения в окружающей среде? А во время сна отключается от внешнего мира и начинает получать информацию от всех внутренних органов, чтобы делать диагностику состояния. И если в этих органах наблюдаются отклонения от нормальной работы, мозг просто ремонтирует их. И тогда, если не давать животному спать, диагностика не будет проведена и животное неминуемо погибнет через несколько дней, потому что во всех его органах накопятся отклонения, несовместимые с жизнью.

Идею в лаборатории Пигарева проверили на кошках: у них фиксировали в зрительной коре один из нейронов, отвечающих на зрительную стимуляцию, а в желудок или кишечник вкалывали стимулирующие электроды. Если у такой кошки во время бодрствования провести рукой перед носом, зрительный нейрон ответит своей обычной активностью. Но вот кошка уснула, а электрод остался на месте. Если на него теперь подать в кишечник одиночный электрический щелчок, то зрительный нейрон, который до этого фиксировал движение перед носом кошки, снова активизируется — теперь и в ответ на стимуляцию кишечника. Такие же эффекты удалось обнаружить и на обезьянах.

— Потом мы работали с перистальтической активностью желудка и увидели, что отдельные нейроны зрительной коры оказываются избирательными к определенным типам перистальтики кишечника. Во время сна одни реагируют на один тип перистальтических сокращений, другие на другой, — рассказывает Пигарев.

Вспомним, что активность мозга во время сна записывается на ЭЭГ в виде волн. Пигарев считает, что это не что иное, как интерференция периодических сигналов, идущих в мозг от внутренних органов, имеющих внутреннюю ритмичность.

— Мы этого не ощущаем и не знаем. Мы это долго игнорировали, потому что это не дано нам в ощущениях, — говорит Пигарев.

По мнению ученого, в разных частях мозга есть сложная система специальных нейронных центров, которые выполняют функцию переключателей — стоят на путях связи и в определенные моменты при переходе от сна к бодрствованию открывают и закрывают проведение сигналов по одному или другому пути. Но что это за сигналы, как они выглядят и что обозначают — этого ученый пока сказать не может.

— Представьте, что какой-то переключатель немножко приоткрылся во время сна и информация от органов, пройдя обработку в коре, через этот приоткрытый переключатель чуть-чуть войдет в блок сознания. Или, допустим, переключатель — это всего лишь порог. Если пришел огромный сигнал от висцеральной системы, он перескочит через этот порог и опять же попадет в блок сознания. Тогда мы получили сновидение, — поясняет Пигарев.

Теми же настройками «нейронных переключателей», по мнению ученого, можно объяснить сомнабулизм — хождение во сне.

Допустим, человек получает на кору мозга сигналы из внешнего мира, из коры сигналы на двигательную активность пошли, а в сознание — нет. Сознание, таким образом, оказывается отключенным, и люди начинают путешествовать, ничего не видя, не осознавая и не помня, поясняет ученый.

В рамках висцеральной теории Пигарева сон не делится на быстрый и медленный. Ученый считает, что функционально и идейно это один и тот же сон, отличия только в том, от каких внутренних органов приходит информация на анализ.

— Если эти внутренние органы имеют внутреннюю ритмичность, они интерферируют в медленные волны и анализируются в период медленного сна. А когда на анализ поступают сигналы, которые не имеют внутренней ритмичности, такие как печень, почки, репродуктивная система, мозг, эти органы обслуживаются в фазу быстрого сна, — утверждает Пигарев.

Будучи весьма оригинальной, теория «висцерального сна» разрабатывается только самим Иваном Пигаревым и его сотрудниками — больше в мире ни один научный коллектив не ведет исследований в рамках этой гипотезы и не поддерживает ее. По словам Владимира Ковальзона, эта гипотеза не учитывает множество данных других экспериментов, которые с ней не согласуются. Самый очевидный спорный момент: мозг и так контролирует работу внутренних органов, желез внутренней и внешней секреции, кровеносных и лимфатических сосудов — через вегетативную нервную систему, причем спокойно занимается этим днем. К тому же объяснить, как именно и какими сигналами мозг и органы обмениваются во время «починки», ученый тоже объяснить пока не может.

Свою попытку ответить на вопрос, что же такого особенного мозг делает во сне, чего бы он не мог делать при бодрствовании, сделал другой российский ученый — главный научный сотрудник лаборатории сравнительной термофизиологии Института эволюционной физиологии и биохимии им. Сеченова Юрий Пастухов.

Белки укладываются, но не спать

На большом экране поточной аудитории МГУ отображается слайд с текстом: «Парадоксальный сон: состояние с необычной феноменологией, неизвестными функциями и непонятным биологическим значением. Загадочными остаются эволюционное происхождение и молекулярные механизмы». Так свою лекцию анонсировал Пастухов.

Он выдвинул собственную гипотезу о функции парадоксального (так тоже называют быстрый, REM-сон) сна в организме. Она призвана объяснить то, почему некоторые гены в организме экспрессируются только в бодрствовании, а другие — только во время медленного сна.

— Например, гены, связанные с синтезом белка, и гены, связанные с обменом холестерина, очень важным для поддержания работы клеток, преимущественно экспрессируются в медленном сне, а митохондриальные гены, которые связаны с выработкой энергии, экспрессируются именно в бодрствование, — уточняет Пастухов.

В своей гипотезе он учел и такой важный признак медленного сна, как снижение интенсивности метаболизма и расхода энергии. В самой глубокой фазе — той, что связана с дельта-ритмом, наблюдается наиболее сильное снижение. По мнению Пастухова, это создает все условия для главной функции сна — повышения скорости синтеза важных для организма белков.

В пользу этой идеи говорят, например, данные о том, что повышение скорости синтеза белка положительно коррелирует с увеличением общего времени глубокого медленноволнового сна. И такие корреляции наблюдались в 35 различных структурах мозга подопытных животных.

Синтез белков — и во время медленного сна и вообще — ускоряет восстановительные процессы в организме. Мы состоим из белков, и «латаются» неполадки в нашем организме тоже белками. Но не все так просто, считает Пастухов: ускорение синтеза сопряжено с накоплением белков с неправильной укладкой.

Белки, из которых состоит наш организм, — это сложные длинные макромолекулы, свернутые в «клубки» (глобулы). Чтобы они правильно выполняли свои функции, важна не только их химическая формула, но и правильная укладка в глобулы. Неправильно свернутые белки, такие как прионы, сегодня считаются причиной тяжелейших нейродегенеративных заболеваний, ведущих к деменции. К сожалению, такие белки постоянно возникают в процессе нормального синтеза белков в организме.

По словам Пастухова, подобных белков может появляться до трети от всех, а при некоторых патологиях еще больше. Но у организма есть способ справиться с ними: для укладки обычных белков он использует особый класс белков — шапероны, и чем больше появляется белков с неправильной укладкой, тем больше вырабатывается шаперонов.

— Представьте, что вы сходили в баню и немножко перегрелись. К чему приводит перегрев? К сворачиванию белков, — объясняет Ирина Якимова, заведующая лабораторией сравнительной термофизиологии, в которой работает Пастухов. — Какая-то, самая неустойчивая часть свернется в неправильную конформацию. Это вызовет экспрессию генов белков теплового шока (класс белков, которые реагируют на клеточный шок; к ним относятся и уже упомянутые шапероны — прим. «Чердака»). Экспрессия — это быстрый процесс, а чтобы неправильно свернутые белки отремонтировались, эти белки должны насинтезироваться… Когда белков становится достаточное количество, через 6—10 часов у вас идет ремонт. Эти два процесса взаимосвязаны.

Таким образом, медленный сон нужен, чтобы синтезировать белки, а следующий за ним быстрый — чтобы правильно укладывать то, что было создано.

— А когда мы просыпаемся, все белки у нас уложены, все у нас в полном порядке. В бодрствовании нет такого мощного синтеза белков. Поэтому подопытные животные и погибают при лишении сна, раз много неправильных белков синтезировано, — поясняет Владимир Ковальзон.

По-видимому, дальнейшие успехи в понимании природы сна связаны с успехами всех нейронаук в целом: чем больше мы будем понимать устройство мозга в принципе, чем более ясными будут и отдельные процессы, происходящие в нем. Тем не менее эмпирических данных о работе мозга, в том числе и о механизмах сна, уже сегодня чрезвычайно много, так что, по мнению некоторых специалистов, отдельный ученый или даже исследовательский коллектив уже не в состоянии осмыслить их и увязать в одну непротиворечивую теорию. Возможно, прорыв в понимании логики происходящих в мозге процессов случится, когда когда ученые доверят их анализ искусственному интеллекту. Ему, по крайней мере, для обработки больших массивов данных на сон прерываться не нужно.

 Евгения Щербина

что значит, норма, чем отличается и какой сон лучше

На протяжении долгих лет представления человечества о хорошем сне базировались, как правило, на его продолжительности. «Вот бы мне поспать подольше», — думал каждый, залезая вечером под одеяло и ставя будильник на семь утра.

Однако исследования последних лет показали: хотя продолжительность сна несомненно важна, это не единственная часть уравнения. Для того, чтобы получить действительно качественный отдых, мы должны несколько раз за ночь плавно преодолеть определенный цикл сна, состоящий из пяти отдельных стадий.

Покой нам только снится

Несмотря на то, что сон нам кажется пассивным процессом, это не так. Сон для мозга — активное состояние, не менее сложное и трудозатратное, чем бодрствование.

Это интересно!

Работа мозга может измеряться и фиксироваться в виде электроэнцефалограмм (ЭЭГ) — графиков в виде волн, показывающих, как изменяется электрическое напряжение в нейронах головного мозга.

Изучая графики мозговых волн спящих людей, ученые поняли, что сон неоднороден, и выделили в нем, в зависимости от скорости изменения волн, четыре стадии. Три из них относятся к медленноволновому, или медленному сну, а четвертая — к быстроволновому, или быстрому сну.

Стадии сна имеют различную продолжительность и чередуются по вполне определенной схеме, формируя цикл сна

Стадии медленного сна

Первая стадия – засыпание (5–10 минут)

Находясь в промежуточном состоянии между бодрствованием и сном, человек испытывает иррациональные видения и мысли, но одновременно полностью отдает себе отчет в существовании окружающего мира, может слышать, чувствовать и даже видеть его.

Вторая стадия — поверхностный сон (20 минут)

Мышцы тела продолжают расслабляться, частота дыхания, сердцебиения и температура тела снижены. Человек погружается в сон, но непривычный звук или движение все еще могут легко разбудить его.

Из поверхностного сна люди иногда резко просыпаются от ощущения «падения» — неопасного феномена сна, вызванного случайным сокращением уже расслабленных мышц.

Третья стадия — глубокий сон (30–45 минут)

На этой стадии человек окончательно засыпает, разбудить его очень сложно. Именно в глубоком сне происходят все феномены, связанные с лунатизмом, возникают «ночные ужасы», скрежет зубами или разговоры во сне. Опираясь на это, ученые считают, что в глубоком сне человек видит сны, но доказать это сложно, так как после пробуждения воспоминаний об этой стадии сна никогда не остается.

Фаза быстрого сна

Но цикл сна продолжается. После третьей стадии повторяется вторая, а затем человек переходит в самое загадочное ночное состояние — фазу быстрого, или парадоксального сна.

В чем парадокс?

Действительно, парадоксально — человек спит, а его мозг показывает мощную активность. Сердцебиение и дыхание учащаются, глазные яблоки быстро вращаются под закрытыми веками. А вот мышцы тела в фазу быстрого сна полностью расслаблены, вплоть до полной невозможности ими управлять в случае внезапного пробуждения.

Легко догадаться, что большинство сознательных и активных снов, которые мы ярко помним после пробуждения, происходят в фазу быстрого сна.

В первом цикле фаза быстрого сна очень короткая, около 5 минут, но в последующих циклах она нарастает, достигая нескольких десятков минут в утренних циклах.

Какой сон важнее?

Зачем нам нужен медленный сон

Это период отдыха — снижается давление крови в сосудах, отдыхают сердце и мышцы, восстанавливается иммунная система. Это период роста: не зря говорят, что дети растут во сне, так как во время медленного сна действительно выделяется гормон роста и более активно синтезируются аминокислоты.

Это также период очищения организма — основная активность печени приходится именно на ночные часы.

Что происходит во время быстрого сна

Ученые полагают, что снижение с возрастом количества времени, которое человек проводит в глубоком сне, частично ответственно за старение и изнашивание организма. А вот зачем нам нужны быстрый сон и сны в принципе, человечество пока так и не выяснило.

Это интересно!

Есть мнение, что во время быстрого сна мозг отсеивает ненужную информацию, формируя правильные логические цепочки. Другие ученые, напротив, полагают, что быстрый сон улучшает креативность.

Ясно одно: так же, как и медленный, быстрый сон — это жизненно важная часть нашего существования. Экспериментальные животные, лишенные быстрого сна, жили всего несколько недель, даже если остальные стадии покрывали время сна с избытком. Кроме того, известно, что у младенцев быстрый сон составляет около 50% общего времени сна — значит, он критично необходим для развития организма.

Как спать и просыпаться правильно

Распространение электронных девайсов, определяющих стадии сна и рассчитывающих цикл сна, сделало возможным устанавливать будильник на самое комфортное для организма время — на границе между фазами, чтобы не прерывать ни медленный, ни быстрый сон.

Если же вы привыкли доверять себе больше, чем электронике, попробуйте заметить время вашего естественного пробуждения по утрам и придерживаться его. Возможно, это поможет вам чувствовать себя выспавшимися и отдохнувшими, даже если вам приходится вставать раньше, чем хотелось бы.

Видео

Фото: © Depositphotos

Что такое быстрый и медленный сон | Владислав Кочерыжкин

Сон является одним из самых загадочных процессов в организме. Казалось бы в нём нет никакого смысла, ведь во время сна мы не подключаемся к зарядке, не отключаем никакие функции, проще говоря вообще ничего не происходит. Просто принимаем горизонтальное положение, практически не двигаемся несколько часов и глаза держим закрытыми.

Но на деле всё совершенно иначе. Именно во сне отдыхает психика, происходят тысячи химических реакций в клетках, а мышцы восстанавливаются. И здесь приходится задумываться над тем, как спать правильно и как получить максимум от этого процесса. Начиная разбираться мы выясняем, что сон делится на фазы и не всегда идёт на пользу. Отсюда все эти проблемы, когда проснулся как выжатый лимон или не выспался, а то ещё хуже — вздремнул 20 минут, теперь никак не вспомнишь кто ты и в чём твоё предназначение.

Сон делится на несколько циклов, каждый из которых важен по своему. Прерывание или спутывание их между собой влечёт все те негативные последствия, которые вам известны. Криштиану Роналду специально нанял профессионального сомнолога, который составил план сна, чтобы тот восстанавливался быстрее и всегда был в форме. Очень важно понять что такое быстрый и медленный сон, чтобы спать правильно.

Медленный сон и 4 его составляющих

Медленный сон это самый длинный цикл. Он начинается с первых секунд и длится до утра. Поочередно меняются 4 стадии медленного сна, а в промежутках каждые полтора часа проскальзывают фазы быстрого сна. В общей сложности соотношение медленного и быстрого сна примерно 80 на 20 в пользу первого.

Дремота

Начинается всё с дрёма, когда активность всего организма слегка замедляется. Человек чувствует расслабленность, пребывает в ощущении релакса. Пульс замедляется, температура тела слегка снижается, веки становятся тяжёлыми, движения глазных яблок редкими, нервная система постепенно ослабляет своё влияние, возникает чувство спокойствия. Избавляясь от лишних процессов мозг, который не успел остановить свою активность, способен выдать решение проблемы, если таковая мучила человека в течении дня. Разбудить человека на этой стадии очень просто, а главное это не нанесёт ему вреда.

Дремота длится считанные минуты и занимает всего 5% от общего времени проведённого в постели. Водители часто используют дремоту для быстрого восстановления, так как иногда достаточно вздремнуть всего 20 минут, чтобы продолжить путь без опаски уснуть за рулём.

Сонные веретена

Это вторая стадия сна, которая усугубляет все происходящие во время дремоты процессы. Пульс снижается ещё немного, нервная система успокаивается, сознание отключается. На этой стадии мышцы полностью расслаблены, происходит их восстановление, отдых всего тела максимальный, человек уже не в силах рассуждать и думать, связь с реальностью потеряна. Самая продолжительная стадия, занимает почти 55% всего сна.

Дельта сон

Короткая фаза дельта сна характеризуется активацией сердечной мышцы. Кровь начинает двигаться активнее, дыхание учащается, все ткани и клетки снабжаются кислородом и питательными веществами. Организм по-прежнему держит сознание выключенным, но усиленно занимается восстановлением всех органов на клеточном уровне.

Глубокий дельта сон

Самое максимальное погружение в сон происходит на этой стадии. Тело расслабленно полностью, а вот на уровне химических реакций учёные обнаружили интересные наблюдения. Именно во время глубокого дельта сна увеличивается синтез белка, выработка гормонов, усиливается кровоснабжение головного мозга, следовательно регенерация тканей происходит наиболее эффективно. Все нервные и психические процессы сильно замедленны, сны спокойны и запомнить их невозможно. Ни один сон, который мы видим в период глубокого сна, рассказать не получится, память в этот момент просто не работает.

Некоторые специалисты считают, что именно глубокий дельта сон ускоряет старение организма. Чем больше человек пребывает в этой фазе за свою жизнь, тем быстрее он состарится. Это предположения, неизвестно насколько они соответствуют действительности, но сомнологи склонны с данным убеждением соглашаться.

Все циклы сна и чередование его стадий

В целом сон здорового человека выглядит следующим образом:

Первый цикл — дремота, сонные веретена, дельта сон, глубокий дельта сон, быстрый сон.

Второй и последующие циклы — сонные веретена, дельта сон, глубокий дельта сон, быстрый сон. С третьего цикла глубокий дельта сон как правило исчезает.

То есть со второго цикла дремота уже отсутствует, а с 3 или 4 пропадает и глубокий дельта сон, в остальном всё чередуется по-прежнему. Заканчиваются стадии медленного сна, наступает быстрый сон и по кругу.

Таких циклов за ночь 5-6. В идеале они проходят с 22-00 до 4 утра. То есть ложиться спать рекомендуется примерно в 21-30, потому что здоровый человек засыпает за 15-30 минут. Если не получается, то это уже бессонница, нужно искать причины. Так вот с 22 до 4 проходят все циклы, а затем человек продолжает спать, но фазы медленного сна уже не происходят.

То есть при нормальном и здоровом сне с 4 утра медленные фазы отсутствуют, так как восстановление организма завершено и необходимо готовиться к пробуждению. А вот как быстрый сон способствует нормальному пробуждения, сейчас расскажу.

Быстрый сон и его особенности

Быстрый сон напоминает стадию дремоты, но это только внешне. То есть человек вроде бы дремлет, но в его организме в этот момент происходит сверх активная деятельность. Мозг работает в полную силу, порой даже лучше, чем при бодрствовании. Мышцы расслабленны, но из-за импульсов мозга, вызванных его высокой активностью, происходят подёргивания конечностей, движения глазных яблок.

Сны, которые мы видим в фазу быстрого сна, очень яркие, насыщенные информацией и сюжетами, а главное мы их запоминаем. Порой человек может рассказать увиденное в мелочах. Если же кто-то утверждает, что ему вообще не снятся сны, значит фаза быстрого сна ему не знакома, это не фатальное, но нарушение циклов ночного отдыха.

Значимость данной фазы очень высокая, так как именно в период быстрого сна происходит выработка серотонина, усваивается полученная в течении дня информация, нервная система проводит анализ произошедшего, активирует мозг в направлении поиска решения.

В свою очередь преобладание быстрого сна над медленным приводит к тому, что человек просыпается разбитый, уставший, измученный. Именно по этой причине за норму принят 8 часовой сон с 22 до 6, в котором после 4 утра уже отсутствует меленный сон. Люди вошедшие в этот ритм успевают пройти все циклы, в первых двух получают рациональные сны, затем наступает период максимального восстановления, а с 4 утра яркие и запоминающиеся сновидения, после чего пробуждение проходит легко.

Из негативных последствия быстрого сна можно отметить повышенный риск инсульта и инфаркта. Сердечная мышца после максимального расслабления вдруг приступает к активным сокращениям и такой перепад может привести даже к смерти. Люди которые уснули и не проснулись, просто не пережили переход от медленного сна к быстрому.

Почему стадии могут нарушаться

Чаще всего люди осознанно нарушают правильный ритм, потому что ночью многие оправляются в развлекательные заведения, либо смотрят футбол по телевизору. Бывает, что рабочий график не позволяет ложиться в 22 и просыпаться в 6, при чём делать это ежедневно. По итогу человек выбит из колеи, сон ненормальный и это принимает хроническую форму.

К физиологическим причинам плохого сна можно отнести депрессии, психические расстройства, возрастные изменения и физические травмы. Стоит также сказать, что сон и здоровье взаимосвязаны, так как без сна человек не чувствует себя здоровым, а при проблемах со здоровьем не может нормально спать. Круг замкнулся.

Пробуждение в фазу быстрого сна

Идеальный расклад для человека, если он самостоятельно просыпается в период быстрого сна. То есть с 22 до 4 прошли все необходимые циклы, организм полностью восстановился, затем человек видит яркие сны, мозговая активность повышается, нервная система активизируется, пульс приходит в норму, выработка гормонов на нужном уровне, состояние организма близкое к бодрствованию.

При пробуждении в этот момент человек не испытывает усталости, напротив он бодр, силён, в хорошем настроении. Современные гаджеты способны считывать информацию и выявлять момент, когда владелец фитнес браслета находится в стадии быстрого сна, чтобы разбудить его именно в этот момент.

Подписывайтесь на канал, ставьте лайки. Спасибо!

3. СТАДИИ МЕДЛЕННОГО СНА И БЫСТРЫЙ СОН. Основы психофизиологии

3. СТАДИИ МЕДЛЕННОГО СНА И БЫСТРЫЙ СОН

Основные данные, полученные за годы многочисленных и разнообразных исследований сна, сводятся к следующему. Сон – не перерыв в деятельности мозга, это просто иное состояние. Во время сна мозг проходит через несколько различных фаз, или стадий, активности, повторяющейся с примерно полуторачасовой цикличностью. Сон состоит из двух качественно различных состояний, называемых медленным и быстрым сном. Они отличаются по суммарной электрической активности мозга (ЭЭГ), двигательной активности глаз (ЭОГ), тонусу мышц и многочисленным вегетативным показателям (частоте сердечных сокращений и дыхания, электрической активности кожи и т.д.; см. гл. 2).

Медленный сон подразделяется на несколько стадий, выделенных на основании изменений ЭЭГ (рис. 13.2 ) и отличающихся по глубине. В перой стадии исчезает основной биоэлектрический ритм бодрствования – альфа-ритм. Он сменяется низкоамплитудными колебаниями различной частоты. Это стадия дремоты, засыпания. При этом у человека могут возникать сноподобные галлюцинации. Вторая стадия (поверхностный сон) характеризуется регулярным появлением веретенообразного ритма 14–18 колебаний в секунду («сонные» веретена). С появлением первых же веретён происходит отключение сознания; в паузы между веретёнами человека легко разбудить. Третья и четвёртая стадии объединяются под названием дельта-сна, потому что во время этих стадий на ЭЭГ появляются высокоамплитудные медленные волны – дельта-волны. В третьей стадии они занимают от 30 до 50% всей ЭЭГ. В четвёртой стадии дельта-волны занимают более 50% всей ЭЭГ. Это наиболее глубокая стадия сна, здесь наивысший порог пробуждения, самое сильное отключение от внешнего мира. При пробуждении в этой стадии человек с трудом ориентируется, в наибольшей степени компрессирует время (недооценивает длительность предшествующего сна). Дельта-сон преобладает в первую половину ночи. При этом снижается мышечный тонус, становятся регулярными и урежаются дыхание и пульс, понижается температура тела (в среднем на 0,5°), отсутствуют движения глаз, может регистрироваться спонтанная кожно-гальваническая реакция.

Быстрый сон – самая последняя стадия в цикле сна. Она характеризуется быстрыми низкоамплитудными ритмами ЭЭГ, что делает её похожей на ЭЭГ при бодрствовании. Усиливается мозговой кровоток, на фоне глубокого мышечного расслабления наблюдается мощная активация вегетатики. Помимо тонических компонентов стадии быстрого сна, выявляются фазические компоненты – быстрые движения глазных яблок при закрытых веках (БДГ, или REM – rapid eye movements), мышечные подёргивания в отдельных группах мышц, резкие изменения частоты сердечных сокращений (от тахикардии к брадикардии) и дыхания (серия частых вдохов-выдохов, потом пауза), эпизодические подъёмы и падения кровяного давления, эрекция полового члена у мужчин и клитора у женщин. Порог пробуждения колеблется от высокого до низкого. Именно в этой стадии возникает большая часть запоминающихся сновидений. Синонимы быстрого сна – парадоксальный (активированный характер ЭЭГ при полной мышечной атонии), REM, или БДГ-сон, ромбэнцефальный (в связи с локализацией регулирующих механизмов).

Весь ночной сон состоит из 4–5 циклов, каждый из которых начинается с первых стадий медленного и завершается быстрым сном. Каждый цикл продолжается около 90–100 мин. В двух первых циклах преобладает дельта-сон, эпизоды быстрого сна относительно коротки. В последних циклах преобладает быстрый сон, а дельта-сон резко сокращён и может отсутствовать (рис. 13.2). В отличие от многих животных, человек не просыпается после каждого цикла сна. Структура сна у здоровых людей более или менее сходна – 1-я стадия занимает 5–10% сна, 2-я – 40–50%, дельта-сон – 20–25%, быстрый сон — 17-25%

Рис. 13.2. Фазы сна. ЭЭГ при различных фазах сна (вверху). Изменения глубины сна на протяжении ночи, удлинение периодов БДГ-сна (внизу) [по Блуму и др., 1988]

Таким образом, каждую ночь 4–5 раз мы видим сны, и «разглядывание» сновидений занимает в общей сложности от 1 до 2 ч. Люди, утверждающие, что они видят сновидения очень редко, просто не просыпаются в фазе сновидений. Интенсивность самих сновидений, степень их необычности и эмоциональной насыщенности может быть различной, но факт их регулярного возникновения во время сна не вызывает сомнений.

Распространённое в прошлом представление о том, что сон необходим для «отдыха» нейронов головного мозга и характеризуется снижением их активности, исследованиями нейрональной активности не подтвердились. Во время сна в целом не происходит уменьшения средней частоты активности нейронов по сравнению с состоянием спокойного бодрствования. В быстром же сне спонтанная активность нейронов может быть выше, чем в напряжённом бодрствовании. В медленном и быстром сне активность различных нейронов организована по-разному (см. гл. 8).

Кроме электрофизиологических, для отдельных стадий сна характерны определённые гормональные сдвиги. Так, во время дельта-сна увеличена секреция гормона роста, стимулирующего тканевой обмен. Во время быстрого сна усилена секреция гормонов коры надпочечников, которая в бодрствовании возрастает при стрессе. Интенсивность энергетического обмена в мозговой ткани во время медленного сна почти такая же, как в состоянии спокойного бодрствования, а во время быстрого сна значительно выше.

Таким образом, можно утверждать, что мозг активен во время сна, хотя эта активность качественно иная, чем при бодрствовании, и в разных стадиях сна имеет свою специфику.

Быстрый и медленный сон — что это такое?

Известно, что в режиме дня человека большое значение уделяется вечернему отдыху. Многие даже слышали о таких понятиях, как быстрый и медленный сон, однако не все уделяют им должное внимание. Чтобы ночное восстановление было продуктивным и давало энергию на выполнение намеченных на день планов, нужно разобраться в этом процессе. Возможно ли полноценное восстановление без продолжительного погружения в царство Морфея? Или можно проснуться бодрым через пару часов? Сколько нужно времени для отдыха, как правильно засыпать и просыпаться?

В первую очередь важно понимать, в чём разница между медленным и быстрым сном.

Стадию отдыха, во время которой мозг человека обрабатывает полученную за день информацию, называют быстрой.

Некоторые исследования показали, что активность мозга во время бодрствования не отличается от активности во время короткого отдыха¹. Те же исследования говорят о том, что благодаря ему формируются воспоминания и закрепляются полученные навыки.

Быстрая фаза отдыха отличается внешними признаками, к которым относятся прерывистое дыхание и движение глазных яблок, также могут двигаться руки. Она непродолжительная и занимает не больше 25% от всего времени ночного отдыха. Организм переходит в быструю фазу через час-полтора после засыпания².

В этот период повышается активность мозга. Во время этой стадии отдыха человек видит сновидения. Это было доказано в 1953 году исследователями из Чикагского университета — Натаниэлом Клейтоном и Юджином Асерински³. Исследования показали, что быстрая фаза повторяется до пяти раз за ночь, примечательно, что каждая последующая фаза увеличивается, а глубина, наоборот, снижается.

За это время мозг фильтрует произошедшее за день, из памяти удаляется ненужная, второстепенная информация, а то, что, действительно необходимо, мозг, наоборот, тщательно запоминает. Кроме того, в этот момент организм готовится к пробуждению: происходит активизация нейрогуморальных процессов⁴.

Во время быстрой фазы незначительно повышается температура тела, более активной становится деятельность сердечно-сосудистой системы, запускается процесс обмена информацией между сознательным и подсознательным: человек видит сновидения, которые, в отличие от увиденных в медленном цикле, он может запомнить. В этом промежутке времени легче всего просыпаться.

Это интересно

Распорядок дня для здорового образа жизни

Для тех, кто встал на путь здорового образа жизни, рано или поздно возникает вопрос — как максимально эффективно использовать своё время? В сутках всего 24 часа, и это не так много, как может показаться на первый взгляд, если учесть, что треть этого времени мы вынуждены тратить на сон, ещё треть чаще всего мы проводим на работе, и только восемь часов остаётся нам для саморазвития, решения бытовых вопросов, самообразования и помощи окружающим. Как же правильно распределить своё драгоценное свободное время, чтобы гармонично развиваться во всех сферах жизни?

Разберёмся, чем отличается быстрый сон от медленного.

Он нужен, прежде всего, для того, чтобы мы смогли полноценно отдохнуть: в этот период давление в сосудах начинает снижаться, запускается процесс восстановления иммунной системы.

Организм активно синтезирует аминокислоты — начинается период роста, поэтому любители силового спорта придают этой части режима дня такое большое значение. Мышцы начинают расти во время релаксации (расслабления), ввиду чего вы вряд ли встретите любителя бодибилдинга, который спит меньше восьми часов. Может возникнуть вопрос, какой сон лучше: быстрый или медленный? В действительности обе стадии важны для нормальной, здоровой и полноценной жизни. Проведённые эксперименты показали, что животные, которые лишены короткой фазы сна, жили гораздо меньше, чем полноценно отдыхавшие собратья⁵.

Рассматривая соотношение медленного и быстрого сна, учёные выяснили, что 80% ночного восстановления сил приходится на первую фазу, а на быструю, соответственно, — 20%. Иногда эта пропорция может незначительно отличаться, но в среднем из 8 часов релаксации 6 часов мы пребываем в медленной стадии. Исключение составляют новорождённые малыши: у них эта пропорция выражена в соотношении 50/50. Учитывая важность этой фазы и её продолжительность, целесообразно детально рассмотреть составные части, из которых она состоит. Выделяют три стадии медленного сна: засыпание, поверхностный и глубокий сон.

Это самая короткая часть ночного восстановления, её продолжительность варьируется в диапазоне от 5 до 10 минут. В этот период человек находится в промежуточном состоянии: ещё не спит, но уже не бодрствует. На этом этапе можно ощущать «тонкий мир», услышать и увидеть то, чего в обычном состоянии не замечаем.

Следующий этап, чуть более продолжительный, длится примерно 20 минут. Тело продолжает расслабляться, темп дыхания снижается, сердце также замедляется. Человек погружается в мир сновидений, но любой внешний раздражитель может вернуть его в состояние бодрствования. На этом этапе может наблюдаться ощущение падения — состояние, которое вызвано сокращением расслабленных мышц. Наверняка вы сами переживали это ощущение.

Эта стадия самая долгая, продолжается около 45 минут. Человек полностью погружается в состояние покоя, и разбудить его становится очень трудно. Учёные полагают, что в это время мы можем видеть кошмары, но доказать это пока не удалось. Если человек просыпается в этой стадии, он не может вспомнить увиденное.

Как мы уже знаем, нет хорошей или плохой стадии — медленный и быстрый сон должны соответствовать норме. Медленная фаза должна занимать не менее 75% от ночного отдыха, а быстрая — 25%.

Если вы не чувствуете себя отдохнувшим, проснувшись утром, то, вероятнее всего, вам не хватает самого длительного этапа релаксации. Увеличить его продолжительность и качество помогут следующие советы:

• Измените образ жизни: больше двигайтесь, занимайтесь спортом, гуляйте. Откажитесь от вредной пищи и дурных привычек. Не забывайте проветривать спальню.
• Откажитесь от источников яркого света. В спальне не должно быть телевизора, ноутбук и планшет тоже лучше убрать подальше от кровати. За 1,5 часа до того, как лечь в постель, откажитесь от гаджетов и девайсов, лучше почитать книгу.
• Ложитесь спать в одно и то же время, вне зависимости от того, выходной сегодня день или будний. Следуйте режиму дня.
• Не ешьте минимум за 2 часа до того, как отправиться отдыхать.
• Перестаньте нервничать. Займитесь медитативными практиками и йогой — так вы успокоите свой разум и чувства.
• Примите горячую ванну или душ, при желании добавьте в ванну пару капель аромамасел, которые расслабят и подготовят тело и ум к отдыху.

Сегодня часто говорят о том, что если быстрый сон преобладает над медленным, то в жизнь человека приходит апатия и раздражительность. Если подобная ситуация сохраняется на протяжении времени, возможно появление более серьёзных нарушений в психике.

Первое, о чём стоит помнить, так это о том, что спать взрослый человек должен от 6 до 8 часов.

Мы неспроста рассмотрели обе фазы ночного восстановления. Чтобы проснуться отдохнувшим, нужно просыпаться между этими фазами. Как мы знаем, каждая из них длится 1,5 часа, поэтому рекомендуют ставить будильник на время, кратное 1,5 часам, не забывая добавить 10-20 минут на стадию засыпания.

Это интересно

Формирование здорового образа жизни. Методы и средства

Здоровый образ жизни — понятие, которое в современном мире приобрело неоднозначные интерпретации. Для кого-то ЗОЖ — не более чем способ самовыражения. Для других — действительно попытка укрепить свой организм. Для третьих – совершенно непонятная аббревиатура. В любом случае, истиной остаётся одно — создание здорового образа жизни позволяет значительно улучшить состояние организма человека и даже увеличить срок жизни. Отсутствие же здорового образа жизни наоборот влечёт за собой огромное количество проблем, которые отражаются на самочувствии человека. Итак, сегодня мы затронем очень важную тему, которую можно обозначить следующей формулировкой «Развитие здорового образа жизни».

Также лучше ложиться спать в промежуток времени между 22 и 23 часами. После одиннадцати вечера начинается выработка гормонов: если лечь позже, то мы пропускаем пик выработки гормонов, и восстановление сил становится менее эффективным.

Не стоит «досыпать» в выходные. Чрезмерно продолжительная погоня за сновидениями (от 10 часов и выше) приводит к повышению давления, головным болям и отёкам. Кроме того, вы собьёте биоритмы и свой привычный режим дня. Возможно, вы помните, как тяжело бывает вернуться в режим дня после отпуска.

Полноценный отдых будет невозможен без прогулки, даже 10-15 минут облегчат процесс засыпания.

Сегодня среди молодых людей популярны теории о том, что можно спать 3–4 часа, как это делали Бенджамин Франклин или Цезарь. Не стоит следовать примеру сильных мира сего, помните, необходимо придерживаться правильной пропорции в этом важном процессе. По возможности откажитесь от дневного отдыха: это сбивает режим дня, из-за чего станет труднее уснуть вечером.

Подводя итог, хочется надеяться, что изложенный материал поможет вам пересмотреть отношение к себе и своему вечернему отдыху. Не стоит им пренебрегать в угоду вечерним кинопросмотрам или «зависанию» в соцсетях.

Список литературы

Шон Стивенсон «Здоровый сон. 21 шаг на пути к хорошему самочувствию»

В. М. Ковальзон «Основы сомнологии»

Обзор, стадия I сна, стадия II сна

Автор

Селим Бенбадис, доктор медицины Профессор, директор Комплексной программы эпилепсии, отделения неврологии и нейрохирургии, Общая больница Тампа, Медицинский колледж Морсани Университета Южной Флориды

Селим Бенбадис, доктор медицины, является членом следующих медицинских обществ: Американская академия неврологии, Американская академия медицины сна, Американское общество клинической нейрофизиологии, Американское общество эпилепсии, Американская медицинская ассоциация

Раскрытие информации: Служить (d) в качестве директора, должностного лица, партнера, сотрудника, советника, консультанта или попечителя для: Альянса, Bioserenity, Ceribell, Eisai, Greenwich, LivaNova, Neurelis, Neuropace, Nexus, RSC, SK life science, Sunovion
Служить (d) в качестве докладчика или члена бюро докладчиков для: Alliance, Aquestive, Bioserenity, Eisai , Гринвич, LivaNova, Neurelis, SK life science, Sunovion
Получил исследовательский грант от: Cerevel, LivaNova, Greenwich, SK biopharmaceuticals, Takeda.

Соавтор (ы)

Диего Антонио Риело, MD Штатный врач отделения неврологии, Memorial Hospital West, Memorial Healthcare

Диего Антонио Риело, доктор медицины, является членом следующих медицинских обществ: Американская академия неврологии

Раскрытие информации: не раскрывать.

Специальная редакционная коллегия

Франсиско Талавера, фармацевт, доктор философии Адъюнкт-профессор, Фармацевтический колледж Медицинского центра Университета Небраски; Главный редактор Medscape Drug Reference

Раскрытие: Получил зарплату от Medscape за работу.для: Medscape.

Норберто Альварес, доктор медицины Доцент кафедры неврологии Гарвардской медицинской школы; Консультант отделения неврологии детской больницы Бостона; Медицинский директор Центра развития Рентама

Норберто Альварес, доктор медицины, является членом следующих медицинских обществ: Американская академия неврологии, Американское общество эпилепсии, Общество детской неврологии

Раскрытие информации: раскрывать нечего.

Главный редактор

Helmi L Lutsep, доктор медицины Профессор и заместитель председателя кафедры неврологии Медицинского факультета Орегонского университета здоровья и науки; Заместитель директора Центра инсульта OHSU

Хелми Л. Луцеп, доктор медицины, является членом следующих медицинских обществ: Американская академия неврологии, Американская ассоциация инсультов

Раскрытие информации: Medscape Neurology Редакционный консультативный совет: Комитет по рассмотрению инсульта, CREST2; Консультативный совет врачей Coherex Medical; Клиническое испытание национального лидера и руководящего комитета, Bristol Myers Squibb; Abbott Laboratories, консультативная группа.

Спит у выключателя | eLife

Существенные изменения:

1) Результаты рукописи должны быть более полно включены в существующую литературу, особенно в отношении результатов исследований животных, не относящихся к человеку, характеризующих физиологические свойства медленных волн и их различий по разным параметрам, а также дополнительной ясности в отношении новизны этого показателя в связь с этой литературой гарантируется.

2) Реализованные методы анализа требуют большей детализации и ясности.

3) Отсутствует четкая статистическая демонстрация независимости частоты перехода от показателей амплитуды и наклона медленной волны, что было отмечено многими рецензентами как критическая проблема.

Рецензент № 1:

В этой работе авторы предлагают функциональное подразделение медленных волн ЭЭГ у человека на основе «частоты перехода» между предполагаемыми состояниями ВВЕРХ и ВНИЗ. Данные предполагают существование двух различных подтипов медленных волн, называемых медленными переключателями и быстрыми переключателями.Похоже, что эти два типа различаются в отношении реакции на гомеостатическое давление сна, в отношении старения и в отношении «связности». В целом, это интересное исследование, которое предоставляет потенциально важные новые данные, которые могут помочь понять биологическую роль медленных волн сна.

У меня есть следующие конкретные комментарии:

1. Я бы не стал предполагать, что полярность медленных волн, регистрируемых с помощью ЭЭГ кожи головы, может быть легко связана с состояниями ВВЕРХ и ВНИЗ нейронов или состояниями деполяризации и гиперполяризации мембран.Я призываю авторов обсудить это более критически и изменить терминологию, если это необходимо, потому что это вводит в заблуждение.

Согласны с рецензентом и уточнили разные разделы статьи.

1) Модификация в разделе «Введение» основной рукописи.

1. «Совсем недавно исследования на животных и людях выявили новые доказательства двух типов медленных волн, основанных на продолжительности повышенного и пониженного состояния: один показывает положительную корреляцию между продолжительностью последовательного подъема и спада состояния, а другой показывает отрицательную корреляцию между продолжительностью состояния. и длительность неактивного состояния.”

Заменено на

«Совсем недавно исследования на животных и людях выявили новые доказательства двух типов медленных волн, основанных на продолжительности положительного и отрицательного состояния: один показывает положительную корреляцию, а другой показывает отрицательную корреляцию между ними». (стр.3, строки 23-25)

2. «Здесь мы предлагаем описать дихотомию в частотном диапазоне δ на основе нового параметра, характеризующего временную задержку из состояния« вверх-вниз »: частоты перехода .”

был заменен на

«Здесь мы предлагаем описать дихотомию в частотном диапазоне δ на основе нового параметра, характеризующего временную задержку от максимальной отрицательной точки медленной волны ЭЭГ до максимальной положительной точки медленной волны: частота перехода . ” (стр. 4, строки 2-3)

3. «Таким образом, наша способность отделить влияние амплитуды медленной волны на нашу типичную метрику перехода между состояниями снизу вверх, например, наклон, теряется при старении.”

Заменено на

Следовательно, наша способность различать влияние амплитуды медленной волны на уклон снижается при старении. (страница 5, строки 2-3)

4. «Если τ обозначает задержку перехода из состояния вниз в состояние вверх (см. Рисунок 1A)».

был заменен на

«Если τ обозначает задержку перехода от максимальной отрицательной точки к максимальной положительной точке медленной волны». (стр. 8, строки 22-23)

2) Модификация в разделе «Обсуждение» основной рукописи.

1. «из их частоты перехода (переход между состояниями снизу вверх)»

был заменен на

«(переход между максимальной отрицательной точкой и максимальной положительной точкой медленной волны)». (стр. 19, строки 8–9)

2. «Это частота перехода , которая строго связана с полуволнами от перехода из состояния вниз в состояние вверх».

был заменен на

“- это частота перехода , которая строго связана с полуволнами, связанными с деполяризационным переходом медленной волны.»(Стр. 19, строки 23-24)

3. «По сравнению со старшими участниками, более молодые участники, кажется, имеют более эффективное инициирование и завершение медленных волн в нижнем и верхнем состоянии, поскольку они генерируют медленные волны с более крутым наклоном»

был заменен на

«По сравнению со старшими участниками, более молодые участники, кажется, имеют более эффективное инициирование и завершение переходов медленных волн, поскольку они генерируют медленные волны с более крутым наклоном». (стр. 23, строки 23-24-25)

2.Существует обширная литература на животных, в которой изучалась взаимосвязь между ЭЭГ, LFP и нейрональной популяцией, включенной и выключенной, или состояниями ВВЕРХ / ВНИЗ. Эта более ранняя работа на мышах и крысах касалась влияния истории сна и бодрствования и старения на корковые медленные волны и их нейрональные корреляты, включая характеристики медленных волн, такие как наклоны и лежащая в основе нейронная синхронность; однако эти исследования не упоминаются.

Мы благодарим рецензента за его / ее предложение и изменения, внесенные в раздел «Обсуждение» основной рукописи, чтобы включить информацию о литературе о животных.

Изменения, внесенные в раздел «Введение» основной рукописи:

«Наклон медленной волны (скорость изменения амплитуды от отрицательного к положительному пику) обычно описывается как лучший показатель для оценки синаптической силы и гомеостаза сна по сравнению с другими классическими параметрами».

был заменен на

«Наклон медленной волны (скорость изменения амплитуды от отрицательного к положительному пику) связан с набором / декрутированием популяции нейронов с более крутым наклоном, показывающим более быстрое пополнение (Вязовский и др., 2011) ». (стр.4, строки 12-15)

Добавлены ссылки:

Вязовский В. В., Чирелли К., Тонони Г. (2011). Электрофизиологические корреляты гомеостаза сна у свободно ведущих крыс. Прогресс в исследованиях мозга , 193 , 17–38.

Изменения, внесенные в раздел «Обсуждение» основной рукописи:

«Литература о животных по параметрам медленных волн NREM показывает различия с людьми. Например, по сравнению с людьми наблюдается возрастное увеличение фронтальной δ-мощности LFP (Soltani et al., 2019), а также в амплитуде и наклоне медленных волн у старых мышей, что указывает на более высокую нейронную синхронизацию (Panagiotou et al., 2017; McKillop et al., 2018). Протоколы депривации сна также показали более высокое давление во сне (Panagiotou et al., 2017) и аналогичную разрядку давления во сне у молодых и старых мышей (Wimmer et al., 2013). В то время как исследователи сна пытаются понять и объяснить различия (McKillop et al., 2020), новый параметр, то есть частота переходов, открывает новый угол анализа и может привести к интересному пониманию этой проблемы, например, путем изучения доля медленных и быстрых переключателей, их доля в протоколах депривации сна и их паттерн гомеостатического снижения и функциональной связи мозга.Хотя необходимы дополнительные исследования депривации сна, чтобы понять функциональную роль медленных и быстрых переключателей и их значение для стареющего мозга, изучение медленных и быстрых переключателей у животных улучшило бы наше понимание спящего мозга ». (стр. 24, стр. 21-25 + стр. 25, стр. 1-8)

Добавлены ссылки:

McKillop LE, Fisher SP, Cui N, Peirson SN, Foster RG, Wafford KA, Вязовский В.В.

(2018). Влияние старения на корковую нейронную динамику и локальный гомеостаз сна у мышей. J Neurosci. 18; 38 (16): 3911-3928.

Панайоту М., Вязовский В.В., Мейер Дж.Х. и Deboer T. (2017) Различия в

Электроэнцефалографические характеристики медленных волн сна с медленными движениями глаз между молодыми и старыми мышами. Научный доклад 3; 7: 43656.

Солтани, С., Шоветт, С., Бухтиярова, О., Лина, Дж. М., Дубе, Дж., Сеньор, Дж., Кэрриер, Дж.

, Тимофеев И. (2019). Цикл сна-бодрствования у молодых и старых мышей. Перед.Syst. Neurosci . 13 (51).

Wimmer ME, Rising J, Galante RJ, Wyner A, Pack AI и др. (2013). Старение у мышей

Снижает способность поддерживать состояния сна / бодрствования. PLOS ONE 8 (12): e81880.

3. В чем разница между предложенной здесь новой метрикой и ранее использовавшейся крутизной медленной волны, которая была связана с синхронизацией при переходах ВКЛ-ВЫКЛ и ВЫКЛ-ВКЛ? Авторы утверждают, что их подход основан на «параметре, не зависящем от амплитудной характеристики медленной волны», но это не было продемонстрировано.Вероятно, что частота перехода связана с амплитудой медленной волны, даже если последняя явно не включена в расчет. Пожалуйста, предоставьте дальнейший анализ, чтобы оценить, как частота перехода связана с амплитудой, продолжительностью и крутизной медленной волны, чтобы можно было провести сравнение с более ранними исследованиями.

Мы благодарим рецензента за предоставленную нам возможность прояснить этот важный момент. Следующий рисунок и следующие комментарии более подробно объясняют, как частота перехода является внутренней характеристикой медленных волн, предоставляя уникальный и непроизвольный способ классификации медленных волн.Это также показывает, что классификация в основном не зависит от ее наклона и амплитуды.

Рассмотрим рисунок 2 — приложение к рисунку 1:

Мы рассмотрели все обнаруженные медленные волны в младших и старших когортах. Рассуждения объясняются для старшей когорты, хотя это можно сделать и с более молодыми людьми. На панели (A) показано распределение переходной частоты, определяемой как наклон (2 × ампер), наклон и ампер — наклон и амплитуда размаха соответственно.Как показано в рукописи, это распределение может быть точно подогнано к смеси двух гауссиан: один гауссиан со средней частотой 0,93 Гц, а другой со средней частотой 1,63 Гц. Пунктирная линия на (A) представляет собой пересечение двух гауссиан смеси на частоте 1,2 Гц и определяет порог, который позволяет отделить медленные переключатели от быстрых переключателей.

Графики на панелях (B) и (C) отображают распределение наклонов и амплитуд. Оба распределения хорошо соответствуют γ и экспоненциальному распределению соответственно, как показано более толстыми линиями.Стоит отметить, что распределения наклона и амплитуд отражают уникальный процесс, тогда как бимодальная смесь распределения частот переходов выявляет основное различие двух типов медленных волн.

Чтобы дополнить это описание, мы предоставляем диаграмму разброса панелей (D) и (E), на которых отображаются медленные переключатели (темно-серый) и быстрые переключатели (светло-серый) относительно наклона или амплитуды и перехода частота. В (E) УВ рассеиваются внутри конуса, определяемого более низкой и высокой амплитудами пика к пику.Хотя нижняя сторона конуса связана с минимальным значением размаха амплитуды, как определено в детекторе (75 мкВ), верхняя сторона конуса указывает на то, что амплитуда от пика к пику ограничена и не может превышать ∼433 мкВ. у старших особей (для молодых это значение ∼515 мкВ). Также стоит отметить, что ПВ с крутизной характеристики <180 мкВ / с являются существенно медленными переключателями. Однако по мере увеличения наклона SW мы получаем смесь медленных и быстрых переключателей с растущей долей быстрых переключателей.Для заданного наклона выше этого порога (180 мкВ / сек) мы можем найти как медленные, так и быстрые переключатели. Есть несколько медленных волн с очень большим наклоном (> ∼834 мкВ / сек), которые являются быстрыми переключателями. Мы интерпретируем это так, что при некоторых обстоятельствах медленные волны с небольшим или очень большим наклоном можно было разделить на отдельные категории. Тем не менее однозначную классификацию медленных волн можно провести только по частоте перехода. Наконец, панель (F) отображает диаграмму рассеяния медленных волн по амплитуде и частоте перехода.Никакая корреляция не может связать эти две особенности медленных волн.

Изменения, внесенные в раздел «Введение» основной рукописи:

«Необходимо разработать новую метрику, которая фиксирует скорость перехода без влияния амплитуды».

Заменено на:

«Необходимо разработать новую метрику, отражающую скорость перехода и более независимую от амплитуды». (стр.4, строки 20-21)

Изменения, внесенные в раздел «Обсуждение» основной рукописи:

«Использование параметра, не зависящего от амплитудной характеристики медленной волны и связанного конкретно с деполяризационным переходом, позволяет нам описать его внутренние изменения при старении.”

Заменено на

«Использование параметра, более независимого от амплитудной характеристики медленной волны и связанного конкретно с деполяризационным переходом, позволяет нам описать его внутренние изменения при старении». (стр.20, строки 7-8)

4. На рис. 1 показано, как на основе данных была получена граница 1,2 Гц, но отсутствуют важные детали. Правильно ли я понимаю, что диаграмма рассеяния показывает все отдельные медленные волны, объединенные по всем предметам? Не могли бы вы показать отдельные предметы по отдельности? Вы все еще видите бимодальность на уровне отдельных субъектов? Проявляется ли по-прежнему разница между младшими и старшими группами, когда вы строите графики распределения частот переходов для отдельных молодых и старших испытуемых, и можно ли это проверить статистически? Мне было интересно, должны ли вы повторить анализы, использованные Hubbard et al., 2020 на ваших данных, можете ли вы увидеть бимодальность, о которой они сообщают у мышей?

Диаграмма разброса действительно показывает все отдельные медленные волны, объединенные для всех субъектов (молодых и пожилых людей). Однако в разделе результатов на рисунках 3 (B) и (C) показаны гауссовские распределения смеси для каждого объекта отдельно (см. Легенду на рисунке 3: (B) и (C) Распределение вероятностей медленных волн медленное (голубой) или быстрое переключение (темно-синий) у более молодых и пожилых людей, соответственно, при этом каждая кривая представляет одного участника.). Таким образом, на рисунке показана эта бимодальность, возникающая на индивидуальном уровне, а также для молодых и пожилых людей независимо. Теперь, Рисунок 3 — рисунок в приложении 2 показывает ту же бимодальность, когда мы смотрим на медленные волны с сопутствующими веретенами сна и без них.

В Hubbard et al. (2020) авторы описывают два набора медленных волн, определенных при сравнении лишенных сна мышей с контрольными мышами и с использованием параметров, отличных от частоты перехода.Хотя в наших текущих данных невозможно увидеть лишение сна, поскольку ни один из участников не прошел протокол лишения сна, мы действительно видим, что один тип медленных волн более распространен, чем другой в начале ночи (быстрые переключатели). когда гомеостатическое давление максимально (см. рисунок 3). Тот факт, что Hubbard et al. (2020) показывают, что медленные волны «ускоряются» после продолжительного периода бодрствования, как правило, подтверждают наши выводы. Рисунок 1 в нашей статье показывает, что мы не могли определить медленный и быстрый переключатель на основе частоты медленных волн, а рисунок 2 — дополнение к рисунку 1 показывает, что мы не могли использовать ни наклон медленных волн, ни амплитуду.Легенда на Рисунке 3 была уточнена, чтобы подчеркнуть смесь гауссианцев, присутствующих на индивидуальном уровне, как показано на Рисунках 3 (B) и (C).

Изменения, внесенные в Обсуждение рукописи:

Дополнение: «Рассматривая обычную частоту медленных волн, Hubbard et al. (2020) показывают, что продолжительные периоды бодрствования сопровождаются более высокой распространенностью более быстрых волн в начале периода сна »(стр. 23, строки 5-7).

5. В Методах указано: «Все медленные волны были одинаково привязаны по времени путем выбора нулевой фазы на максимуме деполяризации.«Неясно, что здесь« максимум »? Я полагаю, что нередко есть несколько положительных пиков на« деполяризационной »части медленной волны, что усложняет этот анализ. Было ли количество пиков в медленной волне другим между старшими и младшими испытуемыми? Мне было интересно, соответствуют ли две категории медленных волн тем, у которых один пик и два пика находятся на вершине фазы «деполяризации / подъема»?

Максимум фазы деполяризации показан на рисунке 1A и был определен в соответствии с нашими критериями обнаружения (т.е.е., определяемый как абсолютный максимум амплитуды). Эти же точки обычно используются для определения наклона и амплитуды медленных волн в исследованиях на людях. Поэтому мы не идентифицировали множественный локальный максимум в медленной волне, который можно было бы интерпретировать по-разному, включая возможный эффект звона фильтра. Наш анализ рассматривал однозначный глобальный максимальный пик для каждой фазы медленной волны. Более того, визуальный осмотр медленной волны показывает незначительное появление других пиков локальных максимумов на отфильтрованном сигнале.Хотя небольшие вейвлеты могут иногда обнаруживаться в основном явлении медленных волн при использовании поверхностной ЭЭГ у людей, может быть очень трудно интерпретировать лежащую в основе нейрофизиологию из-за пространственного разрешения (плотное покрытие HD-ЭЭГ может помочь воспроизвести локальную ЭЭГ). пики в соседних отведениях).

6. Мне было интересно, изменится ли «критическая частота» или динамика «быстрых» и «медленных» переключателей (или возникнет дополнительная категория), если вы отфильтруете сигналы на более высокой частоте, например, на 6 Гц, а не на 4 Гц (например.грамм. см. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/10607082/)

Этот вопрос, поднятый рецензентом, действительно интересен, но мы не анализировали более высокие частоты, поскольку наша цель состояла в том, чтобы исследовать медленные волны в обычном частотном диапазоне, как это определено в человеческой литературе. Даже если бы мы использовали фильтр 6 Гц, другие параметры, используемые для идентификации SW (отрицательный пик ниже -40 мкВ, размах амплитуды выше 75 мкВ, продолжительность отрицательного отклонения между 1500 и 125 мс и продолжительность положительного отклонения, не превышающего 1000 мс) ограничит количество волн, идентифицированных между 4 Гц и 6 Гц и, таким образом, вряд ли сместит частоту перехода, ограничивающую медленные и быстрые переключатели.Более того, как показано на рисунке 1 в рукописи, частота перехода ограничена сверху, и исследование на более высокой частоте, вероятно, не выявит другого класса переключателей.

7. Анализ связности ЭЭГ интересен, но мне было интересно, есть ли связь между появлением нескольких пиков на фазе деполяризации и связностью? Riedner et al. исследование показало, что многопиковые медленные волны могут отражать «столкновение» медленных волн, исходящих из удаленных областей коры: https: // pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/18246974/

Как упоминалось ранее, появление множественных локальных максимумов на отфильтрованной медленной волне было незначительным и трудным для интерпретации. Увеличение функциональной связности, происходящее у молодых людей во время фазы деполяризации медленной волны, достигает максимума на положительном пике. Возможность идентифицировать «сталкивающиеся» медленные волны из отдаленных областей коры определенно была бы интересной, но, к сожалению, это выходит за рамки этой рукописи, особенно с использованием монтажа ЭЭГ, который мы использовали.Это было бы легче оценить с помощью ЭЭГ высокой плотности, которая может улавливать такие помехи с более высоким пространственным разрешением.

Рецензент № 2:

Здесь авторы представляют данные о возникновении (условно говоря) медленных и быстро начинающихся медленных волн у молодых и пожилых людей, а также некоторые феномены, связанные с их возникновением. Есть разумный аргумент в пользу того, что это может представлять собой реальную дихотомию — например, бимодальное распределение времени начала (по существу, наклон).Авторы утверждают, что эта особенность не зависит от амплитуды волны, но никаких данных об этом не приводится. Это делает интерпретацию значимости этих данных проблематичной, поскольку многие особенности волн с «быстрым переключателем» уже хорошо известны применительно к волнам большой амплитуды. Таким образом, трудно понять, что здесь действительно нового — ведь уже известно об изменении амплитуды с возрастом.

Авторы разработали несколько новых показателей для характеристики характеристик медленных волн во время медленного сна.Они предполагают, что существует два класса медленных волн, и показывают некоторые наводящие на размышления данные, которые действительно имеют место. Например, они показывают четкое бимодальное распределение частот переходов (по-видимому, мера крутизны перехода). Неясно, как это связано с амплитудой волны — данные, относящиеся к этому, не показаны — но само собой разумеется, что эта функция очень хорошо отображается на амплитуде волны. Поскольку уже многое известно об отношении амплитуды волн к синхронности между сайтами записи, старению и возникновению в течение ночи, очень неясно, является ли это просто пересказом той же истории с использованием другой метрики.

Анализ того, как новая метрика соотносится с амплитудами волн, абсолютно необходим для читателей, чтобы знать, есть ли что-то явно отличающееся между этим исследованием и тем, что уже известно.

Мы благодарим рецензента за предоставленную нам возможность прояснить этот важный момент. Рисунок 2 — дополнение к рисунку 1 и следующие комментарии более подробно объясняют, как частота перехода является внутренней характеристикой медленных волн, что дает уникальный и непроизвольный способ классификации медленных волн.Это также показывает, что классификация в основном не зависит от ее наклона и амплитуды.

Мы рассмотрели все обнаруженные медленные волны в младших и старших когортах. Рассуждения объясняются для старшей когорты, хотя это можно сделать и с более молодыми людьми. На панели (A) показано распределение переходной частоты, определяемой как наклон (2 × ампер), наклон и ампер — наклон и амплитуда размаха соответственно. Как показано в рукописи, это распределение может быть точно подогнано к смеси двух гауссианов: одного гауссиана со средней частотой 0.93 Гц, а другой — со средней частотой 1,63 Гц. Пунктирная линия на (A) представляет собой пересечение двух гауссиан смеси на частоте 1,2 Гц и определяет порог, который позволяет отделить медленные переключатели от быстрых переключателей.

Графики на панелях (B) и (C) отображают распределение наклонов и амплитуд. Оба распределения хорошо соответствуют гамма-распределению и экспоненциальному распределению соответственно, как показано более толстыми линиями. Стоит отметить, что распределения наклона и амплитуд отражают уникальный процесс, тогда как бимодальная смесь распределения частот переходов выявляет основное различие двух типов медленных волн.

Чтобы дополнить это описание, мы предоставляем диаграмму разброса панелей (D) и (E), на которых отображаются медленные переключатели (темно-серый) и быстрые переключатели (светло-серый) относительно наклона или амплитуды и перехода частота. В (E) УВ рассеиваются внутри конуса, определяемого более низкой и высокой амплитудами пика к пику. Хотя нижняя сторона конуса связана с минимальным значением размаха амплитуды, как определено в детекторе (75 мкВ), верхняя сторона конуса указывает на то, что амплитуда от пика к пику ограничена и не может превышать ∼433 мкВ. у старших особей (для молодых это значение ∼515 мкВ).Также стоит отметить, что ПВ с крутизной характеристики <180 мкВ / с являются существенно медленными переключателями. Однако по мере увеличения наклона SW мы получаем смесь медленных и быстрых переключателей с растущей долей быстрых переключателей. Для заданного наклона выше этого порога (180 мкВ / сек) мы можем найти как медленные, так и быстрые переключатели. Есть несколько медленных волн с очень большим наклоном (> ∼834 мкВ / сек), которые являются быстрыми переключателями. Мы интерпретируем это так, что при некоторых обстоятельствах медленные волны с небольшим или очень большим наклоном можно было разделить на отдельные категории.Тем не менее однозначную классификацию медленных волн можно провести только по частоте перехода. Наконец, панель (F) отображает диаграмму рассеяния медленных волн по амплитуде и частоте перехода. Никакая корреляция не может связать эти две особенности медленных волн.

Отсутствует достаточная часть методологии анализа данных, что делает сомнительным, что на самом деле показывают разные цифры — например, неясно, какие стадии медленного сна используются для различных измерений, и различается ли возникновение этих волн между ними. этапы.

Медленные волны и веретена сна были обнаружены на стадиях сна N2 и N3. Таким образом, оба этапа использовались в наших измерениях, чтобы включить все медленные волны и веретена.

См. «Медленные волны были обнаружены автоматически в эпохах NREM без артефактов (N2 и N3) на всех электродах с использованием ранее опубликованных критериев» (стр. 7, строки 20-21)

и

«Шпиндели были автоматически обнаружены в эпохах NREM без артефактов (N2 и N3) на всех электродах с использованием ранее опубликованного алгоритма» (стр. 8, строки 4-5)

Информация об используемых стадиях сна NREM была добавлена ​​к легенде на рисунках 1, 2 и 3 основной рукописи.

[Примечание редакции: до принятия были предложены дальнейшие исправления, как описано ниже.]

Рукопись была улучшена, но осталась одна проблема, которую необходимо решить, как указано ниже:

Хотя рецензенты согласились с тем, что рукопись была существенно улучшена за счет исправлений, единодушное мнение заключалось в том, что необходимо дальнейшее рассмотрение при обсуждении результатов исследования в контексте публикации Geering et al. (https: // pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/10607082/), в котором сообщается о дифференциальной временной динамике медленных волн на разных частотах и ​​о влиянии методов анализа на их показатели.

Мы хотим поблагодарить рецензентов и редакторов за указание нам этой статьи. Статья интересна тем, что вводит идею о том, что полуволны могут нести дополнительную информацию для спектрального анализа. Мы понимаем, что между этой и нашей работой есть общие черты. Однако есть также важные методологические различия, которые не позволяют нашим результатам быть искаженными некоторыми предубеждениями, отмеченными в статье.

Внутренняя частота, которую мы обсуждаем в нашей статье, основана на другом объяснении, чем то, что было предложено Герингом и др. Мы изучили частоту деполяризационного перехода обнаруженных медленных волн сна, тогда как они проанализировали весь прошедший высокий сигнал ЭЭГ и сосредоточились на полуволнах, полученных при пересечении нуля. Использование нулевых переходов может привести к смещению, поскольку им можно произвольно манипулировать с помощью выбора фильтра верхних частот, об этом авторы признали себя в конце обсуждения.Стоит отметить, что авторы также упомянули переход «от пика к пику», все еще использующий точки пересечения нуля, но на производной первого порядка сигнала. Это больше в духе нашей работы. Однако в нашем исследовании мы рассматривали только зарегистрированные медленные волны, из которых мы напрямую извлекали переход от «сквозного к пиковому». Несмотря на некоторое соответствие в типах локальных характеристик, эти два подхода сильно различаются с точки зрения рассматриваемых сигналов. Мы утверждаем, что использование перехода деполяризации с максимальным и минимальным пиками обнаруженных медленных волн позволяет нам оценить более физиологический процесс, свободный от методологической предвзятости, описанной в Geering et al., бумага.

По предложению рецензента мы добавили раздел в начале обсуждения, чтобы отметить их научный вклад.

Этот абзац добавлен в раздел «Обсуждение» основной рукописи.

Частоты, относящиеся к полуволновым компонентам фильтрованной ЭЭГ, были введены несколько десятилетий назад, чтобы обеспечить альтернативу спектральному анализу сна с временным разрешением (Geering et al., 1993).

Такие исследования в основном касались полуволн, определяемых переходами через ноль всех сигналов ЭЭГ, прошедших фильтр высоких частот, хотя консенсуса достичь не удалось.Настоящая работа вводит новый параметр, в котором полуволны и соответствующая частота определяются из деполяризационного перехода обнаруженных медленных волн сна. Этот внутренний параметр, частота перехода , объективно классифицирует медленные волны сна у людей на две категории: медленные и быстрые переключатели. (стр.15, строки: 2-7).

Heart Disease — UCLA Sleep Disorders Center

Сон — это шанс для вашего сердца замедлиться, даже если оно должно продолжать работать.Ваше сердце размером чуть больше кулака усердно работает, чтобы перекачивать около 2000 галлонов крови каждый день. В среднем ваше сердце также «бьется» (расширяется и сжимается) 100 000 раз в день.

I. Сон и сердце

Процесс сна состоит из следующих двух основных стадий:

1. Быстрый сон
2. Медленный сон

Когда вы впервые засыпая, вы находитесь в стадии не-REM. Стадия сна без быстрого сна — это время, когда вашему сердцу не приходится так много работать.На этом этапе проходит около 80% полноценного ночного сна. Во время медленного сна ваша частота сердечных сокращений, дыхание и артериальное давление падают до уровней ниже тех, которые возникают во время бодрствования.

БДГ — это стадия сна, когда вам снится большая часть ваших снов. Это всего лишь около 20% от общего времени вашего сна. На этом этапе ваше кровяное давление и частота сердечных сокращений могут повышаться и понижаться. Если вас разбудил кошмар, вы можете обнаружить, что ваше сердце бешено колотится.

Когда вы просыпаетесь утром, ваше кровяное давление и частота пульса снова повышаются.Пора вам снова стать активными, и ваше сердце должно быть готово к долгому рабочему дню.

II. Сон и сердечно-сосудистые заболевания

Сон и нарушения сна играют роль в сердечно-сосудистых заболеваниях (ССЗ). Точная роль, которую они играют, до сих пор не совсем ясна. Одно можно сказать наверняка: существует более высокий риск внезапной сердечной смерти в первые несколько часов после пробуждения. Это может быть связано с объемом работы, которую приходится выполнять вашему сердцу, когда ваше тело встает и снова начинает двигаться.Сердечно-сосудистые заболевания являются основной причиной смерти в США. Каждый день от них умирают около 2600 американцев.

К распространенным формам сердечно-сосудистых заболеваний относятся следующие:

• Высокое артериальное давление
• Ишемическая болезнь сердца
• Сердечный приступ
• Боль в груди
• Застойная сердечная недостаточность
• Инсульт
• Врожденные пороки сердца 9302

OSA — это нарушение сна, которое возникает, когда ткань задней стенки глотки блокирует дыхательные пути. Это очень часто, потому что мышцы внутри горла расслабляются во время сна. Вы перестаете дышать, не давая необходимому кислороду попасть в легкие. Когда вы перестаете дышать, ваше тело просыпается.Это происходит так быстро, что вы даже не подозреваете об этом. Вы можете перестать дышать сотни раз за ночь. Лечение от СОАС снижает риск смерти от сердечно-сосудистых заболеваний.

Сон и высокое кровяное давление (гипертония)

Несколько исследований показали, что люди с обструктивным апноэ во сне (СОАС) имеют гораздо больший риск высокого кровяного давления. OSA вызывает снижение уровня кислорода. Ваше сердце бьется быстрее из-за недостатка кислорода. Это вызывает повышение артериального давления.Со временем это может привести к постоянному повышению артериального давления. Важно лечить высокое кровяное давление, поскольку оно является доказанной причиной других форм сердечно-сосудистых заболеваний. Это включает сердечный приступ, сердечную недостаточность и инсульт.

Но лечения высокого кровяного давления может быть недостаточно. Когда высокое кровяное давление плохо поддается лечению, это часто связано с наличием нелеченного апноэ во сне. После лечения ОАС повышается и высокое кровяное давление. Вашему врачу жизненно важно определить, является ли нарушение сна, такое как СОАС, фактором вашего высокого кровяного давления.

Сон и ишемическая болезнь сердца

Было показано, что люди с обструктивным апноэ во сне (СОАС) имеют более высокие показатели ишемической болезни сердца (ИБС). Это может происходить по двум основным причинам:

1. OSA увеличивает риск высокого кровяного давления, которое является известной причиной ИБС.
2. События, происходящие во время ОАС, могут серьезно повлиять на сердце и усугубить уже существующее заболевание.

CAD ограничивает кровоток из-за узких артерий.Это предотвращает попадание необходимого количества кислорода в сердце. Апноэ во сне также вызывает снижение уровня кислорода в крови во время пауз в дыхании. Это приводит к повышению частоты сердечных сокращений и артериального давления. На сердце ложится дополнительная нагрузка. Количество кислорода, отправляемого в сердце, уменьшается в то время, когда сердцу требуется больше кислорода. Исследования показали, что наличие СОАС увеличивает риск смерти от ИБС. Но если лечить апноэ во сне, смертность от ИБС уменьшается.

Сон и застойная сердечная недостаточность

Повреждение сердца, которое нарушает его способность перекачивать кровь, называется застойной сердечной недостаточностью (ЗСН).Нарушения сна могут быть как причиной, так и следствием ХСН. Низкий уровень кислорода и высокое кровяное давление, связанные с синдромом обструктивного апноэ во сне (СОАС), могут вызывать такие повреждения, которые приводят к ЗСН. Сердечная мышца неспособна выдержать стресс, вызванный СОАС. Люди, у которых есть хроническая сердечная недостаточность по другой причине, увидят, что состояние ухудшится, если у них затем разовьется апноэ во сне. Однако если лечить апноэ во сне, у пациентов с ХСН улучшится функция сердца.

Около 40% людей с ХСН страдают расстройством сна, называемым центральным апноэ сна (ЦСА).CSA возникает, когда мозг не может сказать легким дышать. Поскольку этот сигнал теряется, легкие не поглощают кислород, в котором нуждается ваше тело. Чаще всего это происходит, когда люди засыпают. CSA также заставляет людей много раз просыпаться ночью. Когда они просыпаются, их пульс и кровяное давление повышаются.

Низкий уровень кислорода в результате CSA очень вреден. В результате CSA может усугубить сердечную недостаточность. В свою очередь, сердечная недостаточность может способствовать CSA. Это вызывает ужасный цикл снижения сердечной деятельности.Правильное лечение сердечной недостаточности — лучший способ предотвратить CSA. Если CSA все еще развивается, существуют методы лечения, которые можно использовать, чтобы предотвратить его возникновение.

Сон и инсульт

Инсульт повреждает мозг, когда прекращается кровоснабжение мозга. Это происходит, когда артерия, по которой кровь поступает в мозг, сгущается или лопается. Клетки мозга могут погибнуть, если приток крови к мозгу прекращается дольше, чем на несколько секунд. Это может вызвать необратимое повреждение мозга. Часть тела, контролируемая этим отделом мозга, не сможет нормально функционировать.Инсульт является причиной каждой пятнадцатой смерти в США.

Высокое кровяное давление — наиболее частая причина инсульта. Обструктивное апноэ во сне (СОАС) может косвенно привести к инсульту, вызывая повышение артериального давления. Апноэ во сне также может напрямую вызвать инсульт, уменьшая приток крови к мозгу. Это происходит, когда уровень кислорода падает во время пауз в дыхании. ОАС также часто возникает после перенесенного инсульта. Это может помешать человеку восстановиться после инсульта.

III. Влияние болезней сердца на сон

Болезни сердца могут незаметно повлиять на вашу способность спать. Людям с застойной сердечной недостаточностью (ЗСН) часто трудно заснуть или уснуть. Это связано с одышкой, вызванной ЗСН. Эта одышка часто усиливается, когда вы ложитесь. Кровь из ваших ног течет обратно в сердце. Это может принести сердцу больше крови, чем оно способно перекачать.

Люди с этими симптомами могут чувствовать, что у них бессонница.Врачи называют эти симптомы:

• Ортопноэ (одышка в положении лежа)
• Пароксизмальная ночная одышка (при пробуждении от сна с ощущением одышки)

Болезнь сердца также заставляет людей беспокоиться о своем здоровье. Они часто боятся сердечного приступа или инсульта. Это беспокойство может затруднить сон по ночам. Со временем эта проблема со сном может перерасти в хроническую бессонницу.

IV. Сон и здоровое сердце

Есть много вещей, которые вы можете сделать, чтобы сохранить свое сердце здоровым.Вы должны обязательно делать следующее:

• Соблюдайте сбалансированную диету
• Избегайте лишнего веса
• Делайте много упражнений
• Остерегайтесь высокого кровяного давления и лечите его
• Регулярно проходите медицинские осмотры

Другое вы можете убедиться, что вы высыпаетесь достаточно, чтобы ваше тело было хорошо отдохнувшим. Часто вы можете лучше спать, просто соблюдая правила гигиены сна. Гигиена сна состоит из основных привычек и советов, которые помогут вам выработать режим здорового сна.См. Раздел Ресурсы на этом сайте, чтобы узнать, как вы можете начать свой путь к лучшему сну.

Следите за признаками нарушения сна. Обструктивное апноэ во сне (СОАС) — это нарушение сна, которое может серьезно повлиять на ваше сердце. У мужчин с избыточным весом и большой шеей чаще всего встречается ОАС.

Симптомы OSA включают следующее:

• Громкий храп
• Задыхание или удушье во время сна
• Проблемы с бодрствованием в дневное время

Вы можете не знать об этих признаках, потому что они возникают только когда вы спят.В бодрствующем состоянии ваше дыхание нормальное. Попросите партнера по постели или кого-то еще, кто наблюдал за вашим сном, узнать, храпите ли вы или перестаете дышать во время сна.

Поговорите со своим врачом о риске нарушения сна. Это очень важно, если у вас уже есть высокое кровяное давление или сердечно-сосудистые заболевания. Люди с застойной сердечной недостаточностью должны находиться под наблюдением на предмет CSA и других нарушений сна. В отличие от OSA, люди с сердечной недостаточностью и CSA часто худощавы и могут вообще не храпеть.

Если ваш врач считает, что у вас нарушение сна, он или она может предложить вам пройти исследование сна. Это называется полисомнограммой. Исследование сна обычно проводится в ночное время в центре сна. Он отображает ваши мозговые волны, сердцебиение и дыхание во время сна. Он также записывает движения ваших глаз и ног, а также напряжение мышц.

Специалист по сну сможет увидеть, есть ли проблемы с качеством вашего сна. Затем вашему лечащему врачу сообщат результаты исследования.Вы двое можете выбрать лучший курс лечения. Важно помнить, что нарушения сна обычны и поддаются лечению. Лечение расстройства сна может сделать ваше сердце более здоровым.

наверх

Сновидения во сне NREM: исследование медленных волн и веретен с помощью ЭЭГ высокой плотности

Из 969 пробуждений, выполненных у всех испытуемых, 735 были выполнены на стадиях N2 и N3 сна NREM. Из них 246 (33,5%) представили отчеты о DE, 284 (38,6%) о DEWR и 204 (27.8%) СВ. У двух субъектов NE во время медленного сна не наблюдалось.

Медленные волны и сновидения

Медленные волны, предшествующие сообщениям о DE, по сравнению с NE, были значительно менее многочисленны, имели меньшую амплитуду и наклон (скорректированный p, <0,05) и имели тенденцию к более отрицательным пикам (нескорректированный p <0,05). Эти различия были относительно широко распространенными, но наиболее сильные статистические эффекты наблюдались в задних и центральных областях мозга (рис.1, см. Рис.2 для средних абсолютных значений, средних разностей и нескорректированной статистики). Сходные результаты для амплитуды и наклона были получены при сравнении DEWR и NE (рис. 3), в то время как контраст между DE и DEWR не дал каких-либо значительных различий (данные не показаны), что позволяет предположить, что эти результаты отражают различия в сновидении, а не в умение вспомнить содержание сновидения.

Верхний ряд, топографическое распределение значений t для контраста между переживаниями во сне и отсутствием переживаний для различных параметров медленной волны, усредненных за последние 60 с до пробуждения.Нижний ряд, такой же, как и верхний ряд, но электроды в кластере, показывающие статистически значимый эффект, отмечены белым ( p <0,05, кластерная коррекция для множественных сравнений, двусторонние парные тесты t ; n = 12 предметов).

Верхний ряд, топографическое распределение параметров медленной волны для переживаний сновидений (DE) (первая строка) и отсутствия переживаний (NE) (вторая строка). Параметры медленной волны были усреднены за последние 60 секунд до пробуждения и по 12 испытуемым.В третьей строке для каждого параметра показаны средние различия между DE и NE (DE — NE), так что красные цвета указывают на более высокие значения в DE, а синие цвета — на более высокие значения в NE. В четвертой строке показаны значения p для парных электрод-за-электродных тестов t ( p <0,05, без поправки).

Верхний ряд, топографическое распределение значений t для контраста между переживаниями сновидений без воспоминания содержания и отсутствием переживаний для различных параметров медленной волны, усредненных за последние 60 с до пробуждения.Нижний ряд, такой же, как и верхний ряд, но электроды в кластере, показывающие статистически значимый эффект, отмечены белым ( p <0,05, кластерная коррекция для множественных сравнений, двусторонние парные тесты t ; n = 12 предметов).

Затем, основываясь на нашей предыдущей работе, в которой мы идентифицировали два типа медленных волн, которые различаются по амплитуде, мы выполнили исследовательский анализ, сосредоточившись исключительно на медленных волнах большой амплитуды, используя произвольный минимальный порог, соответствующий 75-му процентилю отрицательный пик.Этот порог был рассчитан для каждого канала и пациента отдельно с учетом всех обнаруженных медленных волн в медленном сне. В соответствии с предыдущим анализом (рис. 1), сообщениям о DE предшествовало меньшее количество медленных волн высокой амплитуды по сравнению с NE, особенно в центральных и задних областях мозга (рис. 4). Однако DE также были связаны со значительно более крупными и крутыми медленными волнами большой амплитуды во фронтальных областях ( скорректированный p <0,05; рис. 4, см. Рис. 5 для средних абсолютных значений, средних разностей и нескорректированной статистики), что показало тенденция к меньшему количеству отрицательных пиков (нескорректированный p <0.05). Дополнительный анализ (рис.6) показал, что фронтальные медленные волны высокой амплитуды были еще больше и круче, когда можно было вспомнить содержание сновидения (DE), в отличие от случаев, когда субъекты сообщали о сновидении, но не могли вспомнить содержание (DEWR). ), в то время как между DEWR и NE не было обнаружено значительных различий (данные не показаны).

Верхний ряд, топографическое распределение значений t для контраста между переживаниями во сне и отсутствием переживаний для различных параметров медленной волны, усредненных за последние 60 с до пробуждения.Для каждого субъекта были включены только медленные волны с амплитудой больше 75-го процентиля (по всем медленным волнам, обнаруженным в медленном сне). Нижний ряд, такой же, как и верхний ряд, но электроды в кластере, показывающие статистически значимый эффект, теперь отмечены белым ( p <0,05, кластерная коррекция для множественных сравнений, двусторонние парные тесты t ; n = 12 предметов).

Верхний ряд, топографическое распределение параметров медленных волн для DE (первая строка) и NE (вторая строка).Параметры медленной волны были усреднены за последние 60 секунд до пробуждения и по 12 испытуемым. В третьей строке для каждого параметра показаны средние различия между переживаниями во сне (DE) и отсутствием переживаний (NE) (DE — NE), так что красные цвета указывают на более высокие значения в DE, а синие цвета — на более высокие значения в NE. В четвертой строке показаны значения p для парных электрод-за-электродных тестов t ( p <0,05, без поправки). Здесь для каждого испытуемого были включены только медленные волны, превышающие 75-й перцентиль амплитуды.

Верхний ряд, топографическое распределение значений t для контраста между переживаниями во сне и переживаниями сновидений без припоминания содержания для различных параметров медленной волны, усредненных за последние 60 с до пробуждения. Для каждого испытуемого были включены только медленные волны, превышающие 75-й перцентиль амплитуды. Нижний ряд, такой же, как верхний ряд, но электроды в кластере, показывающие статистически значимый эффект, отмечены белым цветом ( p <0.05, кластерная коррекция для множественных сравнений; n = 14 субъектов).

Вместе эти результаты предполагают, что сновидения более вероятны, когда медленные волны редкие, маленькие и неглубокие, особенно в задних и центральных областях мозга. Кроме того, применяя порог минимальной амплитуды, мы идентифицировали небольшое количество очень крутых медленных волн большой амплитуды в передних отделах коры головного мозга, которые, как правило, предшествуют сообщениям о переживаниях во сне с помощью воспоминаний о содержании.

Поскольку мы показали, что сновидения имеют тенденцию происходить, когда амплитуда медленных волн в задних областях мала (рис. 1), мы спросили, связаны ли фронтальные медленные волны большой амплитуды с уменьшением амплитуды медленных волн в задних областях. С этой целью мы сначала проверили корреляцию между амплитудой медленных волн (без порога амплитуды), обнаруженной во фронтальной области (Fz и непосредственно соседние электроды) и интересующей затылочной области (Oz и непосредственно соседние электроды) в течение всех 2 минут. Сегменты NREM по каждому предмету.Этот анализ, как и ожидалось, выявил сильную положительную корреляцию между амплитудой фронтальных и затылочных медленных волн (коэффициент ранговой корреляции Спирмена r = 0,86, p <0,001), что означает, что для всех рассмотренных волн сегменты NREM с большими фронтальными медленные волны также имеют тенденцию содержать большие затылочные медленные волны. Затем мы коррелировали амплитуду больших медленных волн (выше 75-го процентиля амплитуды) в интересующей фронтальной области с амплитудой медленных волн в интересующей затылочной области (без порога амплитуды).Здесь возникла значимая отрицательная корреляция (коэффициент ранговой корреляции Спирмена r = -0,19, p = 0,002). Следовательно, кажется, что чем больше подмножество медленных волн высокой амплитуды во фронтальной коре, тем меньше медленные волны в затылочной коре.

Эти результаты предполагают, что есть две различные популяции медленных волн, которые по-разному относятся к сообщениям о сновидениях и чьи амплитуды антикоррелированы (рис. 7). Чтобы получить более точную и не зависящую от топографии классификацию двух типов медленных волн, для дальнейшего анализа мы использовали ранее описанный подход (Bernardi et al., 2018), который делит медленные волны на предполагаемые медленные волны I типа (меньшая часть больших и крутых медленных волн с фронтоцентральным вовлечением) и медленные волны типа II (большинство меньших, более мелких, диффузно распределенных медленных волн) на основе индекса синхронизации с учетом их амплитуда и наклон (подробнее см. Материалы и методы). Этот метод основан на единой временной привязке, представляющей все источники («отрицательная огибающая» сигнала), и, таким образом, может классифицировать медленные волны независимо от их происхождения и распределения в скальпе.Поскольку эти анализы в основном нацелены на изучение того, как отличительные свойства медленных волн типа I соотносятся с переживаниями во сне, был применен строгий произвольный порог, чтобы отделить тип I от потенциально больших медленных волн типа II. В частности, только медленные волны с индексом синхронизации> 4 стандартных MAD от медианы всех медленных волн считались медленными волнами I типа, а остальные медленные волны считались медленными волнами II типа. Подавляющее большинство медленных волн, классифицируемых по этому методу как I тип (95.0 ± 4,5%, среднее по всем каналам) имели амплитуду выше 75-го процентиля (т. Е. Были классифицированы как «большие» на основании критерия амплитуды, использованного в ранее описанных анализах (рис. 8 A ). Напротив, только около половина медленных волн типа II (52,6 ± 4,1%) имела большую амплитуду.

Корреляция между амплитудой медленных волн во фронтальной и затылочной областях, представляющих интерес для двух репрезентативных субъектов. Верхний ряд, все медленные волны (без амплитуды Нижний ряд: к фронтальным медленным волнам применялся порог амплитуды (выше 75-го процентиля всех волн для каждого испытуемого).

Характеристики медленных волн типа I и типа II. A , Доля медленных волн, классифицируемых как тип I (слева) или тип II (справа) на основе эффективности синхронизации, которые также были определены как большие на основании критерия амплитуды для каждого канала (> 75-й процентиль; для сравнения , медленные волны были идентифицированы во временном окне 250 мс с центром на пике медленной волны I / II типа). Каждая полоса на графике представляет собой среднее значение (%) по предметам ± стандартное отклонение. B , соотношение тип I / тип II для 60 с, предшествующих DE, DEWR и NE (среднее и SEM). Звездочки указывают на статистически значимые различия при p <0,05 (парные двусторонние тесты t ). C , Корреляция между низкочастотной спектральной мощностью в диапазоне 1–4 Гц (за 6 с до медленной волны) и индексом синхронизации (отражающим амплитуду и крутизну медленной волны) для медленных типов I и II. волны (коэффициент ранговой корреляции Спирмена).Медленные волны типа I и типа II были разделены в соответствии с их индексом синхронизации (подробнее см. Материалы и методы). Электроды в кластере, показывающие статистически значимый эффект, отмечены белым цветом ( p <0,05, кластерная коррекция для множественных сравнений). D , Изменения спектральной мощности (%), вызванные медленными волнами типа I и типа II в кластере фронтальных электродов (Fz и непосредственно соседние электроды). Спектральная мощность в течение 6 секунд после медленной волны сравнивалась со спектральной мощностью в 6 секунд, предшествующих каждой медленной волне, для различных частотных диапазонов (1–40 Гц; разрешение с шагом 2 Гц).Нижний ряд, p Значения для сравнения изменений PSD, вызванных медленными волнами типа I и типа II (парные двусторонние тесты t ). E , Кортикальное распределение изменений спектральной мощности в диапазоне 18–30 Гц для медленных волн типа I на уровне источника.

Затем мы вычислили соотношение между медленными волнами типа I и типа II для каждого периода NREM, предшествующего пробуждению, и обнаружили, что оно значительно различается между DE, DEWR и NE (односторонний ANOVA с повторными измерениями, F _{( 2,12)} = 5.795, p = 0,008), причем DE (0,10 ± 0,01) имеет значительно более высокое соотношение по сравнению с DEWR (0,05 ± 0,01, p = 0,04, парный двусторонний тест t ) и NE (0,04 ± 0,01 , p = 0,02), в то время как последние две категории достоверно не различались ( p = 0,4; рис. 8 B ).

Затем мы исследовали направление наблюдаемой нами отрицательной связи между амплитудой больших фронтальных медленных волн и затылочных медленных волн (рис.7). В частности, мы хотели узнать, возникают ли медленные волны I типа с большей вероятностью на фоне небольших медленных волн ЭЭГ или они вызывают уменьшение амплитуды медленных волн, особенно в задних отделах. С этой целью мы сначала исследовали корреляцию между SWA за 6 секунд, предшествующих каждой медленной волне, и индексом синхронизации этой медленной волны. Этот анализ показал, что медленные волны I типа с большей вероятностью будут большими и крутыми (т. Е. Иметь более высокий индекс синхронизации), если они возникнут на фоне низкой SWA, тогда как для медленных волн II типа наблюдается обратный эффект (рис.8 С ). Затем мы исследовали изменения спектральной мощности, вызванные медленными волнами I и II типов (в течение 6 с после медленной волны). Мы обнаружили, что в среднем медленные волны типа I вызывают увеличение спектральной мощности во всех частотных диапазонах с небольшим пиком в диапазоне 10–12 Гц и большим пиком в диапазоне 18–30 Гц (Рис. 8 D ). Анализ моделирования источников показал, что 18–30 Гц увеличивается вслед за медленными волнами I типа, достигающими пика в лобно-центральных областях, включая медиальную первичную моторную кору и среднюю поясную извилину (верхние 5% вокселей; рис.8 E ). Примеры ЭЭГ высокочастотных возрастаний после медленных волн I типа показаны на рисунке 9. Для медленных волн II типа эти изменения были менее выраженными и достигли пика в диапазоне быстрых веретен (~ 13–14 Гц). Медленные волны типа I вызывали значительно большее увеличение мощности в диапазонах частот 0–2 Гц и 18–40 Гц по сравнению с медленными волнами типа II (рис. 8 D ). Важно отметить, что в целом ни медленные волны типа I, ни типа II не вызывали уменьшения SWA. Эти результаты показывают, что медленные волны типа I имеют тенденцию возникать при низкой SWA, но, по-видимому, не вызывают последовательного снижения SWA.Вместо этого они часто сопровождаются высокочастотным увеличением мощности, которое выглядит как «микровозбуждение» (рис. 9) в соответствии с критериями оценки сна (Iber et al., 2007).

Типичные примеры высокочастотного увеличения после медленных волн типа I. Время 0 соответствует максимальному отрицательному пику медленной волны I типа. Отображаются четыре репрезентативных срединных канала [Fz (фронтальный), Cz (центральный), Pz (теменный) и Oz (затылочный)] относительно среднего значения двух сосцевидных каналов.

Затем мы спросили, различается ли высокочастотное увеличение после медленных волн типа I между DE, DEWR и NE. Мы обнаружили, что медленные волны типа I вызывали значительно более сильное увеличение высокочастотной активности (18–30 Гц) в центральных областях (с правосторонней латерализацией), когда испытуемые могли вспомнить содержание сновидения (DE), а не когда они не мог (DEWR; рис. 10).

Топографическое распределение значений t для контраста в изменениях 18–30 Гц, вызванных медленными волнами типа I, между переживаниями во сне (DE), без переживаний (NE) (слева), DE и переживаниями сновидений без воспоминаний о них. содержимое (DEWR) (в центре), а также DEWR и NE (справа), усредненные за последние 60 с до пробуждения.Электроды в кластере, показывающие статистически значимый эффект, отмечены белым ( p <0,05, кластерная коррекция для множественных сравнений, двусторонние парные тесты t : n = 12 субъектов для DE; n = 11 субъектов для NE; n = 13 субъектов для DEWR).

Глубокий сон дает вашему мозгу глубокую очистку

Почему сон оказывает восстанавливающее — или разрушительное — влияние на когнитивные способности и здоровье мозга, оставалось непреходящей загадкой для биологии.Исследователи считают, что спинномозговая жидкость (CSF) может вымывать токсичные отходы, «очищая» мозг, и исследования показали, что выведение мусора во время сна значительно улучшается. Однако они не были уверены, как именно все это работает и почему это должно быть так усилено во время сна.

Один из аспектов сна, который хорошо известен, — это то, как медленные электрические колебания (или «медленные волны»), которые характеризуют глубокий, медленный сон, способствуют консолидации памяти, процессу, посредством которого новые воспоминания переносятся в долговременное хранилище.Новое исследование, проведенное группой под руководством нейробиолога Лауры Льюис из Бостонского университета, теперь дает представление о том, что движет потоком спинномозговой жидкости через мозг, предполагая, что те же медленные волны, которые координируют консолидацию памяти, вызывают колебания кровотока и спинномозговой жидкости в головном мозге.

Работа имеет значение для понимания взаимосвязи между нарушением сна и психиатрическими и нейродегенеративными состояниями и может даже указывать на новые подходы к диагностике и лечению. «Мы обнаружили, что действительно большие волны спинномозговой жидкости появляются в мозге только во время сна», — говорит Льюис.«Этот эффект действительно поразителен, и нас также интересует, что он означает для поддержания здоровья мозга, особенно при таких расстройствах, как болезнь Альцгеймера».

В исследовании, опубликованном 31 октября в журнале Science , команда намеревалась изучить, как динамика спинномозговой жидкости изменяется во время сна и как это может быть связано с изменениями мозгового кровотока и электрической активности. «Мы знаем, что сон действительно важен для здоровья мозга, и, вероятно, основной причиной этого является удаление отходов; что было менее ясно: почему это меняется во время сна? » Льюис говорит.«Это заставило нас спросить, что происходит в CSF».

Исследователи использовали электроэнцефалографию (ЭЭГ) для мониторинга мозговых волн 13 спящих здоровых взрослых людей, а также использовали передовую, «ускоренную» технику фМРТ, чтобы зафиксировать более быстрые изменения, чем может управлять стандартная фМРТ. Это позволило измерить как изменения оксигенации крови (которые указывают на приток крови к электрически активным, кислородно-голодным областям), так и потоки спинномозговой жидкости. Последнее было возможно только из-за недостатка в этом методе, который означает, что на изображении загорается любой вновь поступающей жидкости (а не только насыщенной кислородом крови).«Мы поняли, что можем воспользоваться этим для измерения потока спинномозговой жидкости одновременно с оксигенацией крови», — говорит Льюис. «Это было критически важно, потому что оказалось, что эти вещи связаны друг с другом так, как мы никогда бы не увидели, если бы мы не измеряли кровь, спинномозговую жидкость и электрическую активность одновременно».

Команда обнаружила, что медленные волны, наблюдаемые в не-REM-сне, происходят синхронно с изменениями кровотока и CSF. То, что все происходит вместе, не обязательно означает, что одно вызывает другое, но команда также построила компьютерную модель, включающую то, что мы знаем о физике, связывающей эти процессы, которая предсказывала, что медленные волны будут иметь именно такие эффекты на кровь и спинномозговую жидкость. .Кажется, что происходит то, что, поскольку активность мозга изменяет кровоток, это уменьшает объем крови в головном мозге, а поскольку мозг является закрытым сосудом, спинномозговая жидкость втекает, чтобы заполнить пространство. «Это очень убедительно», — говорит невролог Майкен Недергаард из Университета Рочестера, который не принимал участия в исследовании. «Это также действительно имеет смысл: электрическая активность вызывает изменения кровотока, которые затем вызывают изменения спинномозговой жидкости».

. Команда измерила приток спинномозговой жидкости в четвертый желудочек, одну из четырех полостей, заполненных жидкостью, участвующих в выработке спинномозговой жидкости (путем фильтрации плазмы крови) и ее циркуляции по мозгу.Поскольку спинномозговая жидкость обычно оттекает на из четвертого желудочка, это предполагает «пульсирующий» поток, похожий на волну. Это проталкивает спинномозговую жидкость вокруг желудочков и в промежутки между мембранами, окружающими головной и спинной мозг, называемые мозговыми оболочками, где она смешивается с «интерстициальной жидкостью» в головном мозге, унося токсичные продукты жизнедеятельности.

Поскольку медленные волны важны для консолидации памяти, это связывает две несопоставимые функции сна. «Что интересно в этом, так это сочетание функций мозга, которые люди обычно не считают связанными», — говорит Недергаард.По словам Льюиса, неочевидно, что было таким, а было таким, но это может быть примером того, как природа эффективна. «По природе своей не разделяет задачи между более высоким и более низким уровнем, например, как вы управляете компанией, где у вас есть начальник, принимающий решения и убирающий людей», — говорит Недергаард. «В биологии каждый вносит свой вклад, так как это имеет больше смысла».

Полученные данные имеют значение для нейродегенеративных заболеваний, которые, как считается, вызваны накоплением токсичных белков в головном мозге, таких как амилоид-бета при болезни Альцгеймера.Предыдущие исследования показали, что бета-амилоид выводится более эффективно во время сна, который у пациентов часто нарушается. Нарушения медленноволнового сна также часто сопровождают старение, что может быть связано со снижением когнитивных функций. «Мы знаем, что у людей с болезнью Альцгеймера меньше медленных волн, поэтому мы можем обнаружить, что у них также меньше волн спинномозговой жидкости», — говорит Льюис. «Мы должны провести эти исследования сейчас на пожилых людях и в группах пациентов, чтобы понять, что это может означать для этих расстройств». Нарушение сна также является признаком многих психических расстройств, от депрессии до шизофрении.«Различные электрические сигнатуры сна нарушаются в разных психиатрических условиях», — говорит она. «Так что будет очень интересно следить за множеством расстройств».

Затем команда надеется выяснить, действительно ли электрические колебания вызывают наблюдаемые ими изменения в потоке спинномозговой жидкости, экспериментально манипулируя активностью мозга. «Было бы здорово найти подходящего сотрудника и провести исследование на мышах, где мы манипулируем нейронной активностью, а затем наблюдаем за последующими последствиями», — говорит Льюис.«Мы также думаем о способах безопасного и неинвазивного управления нервными колебаниями у людей». В конечном итоге может оказаться возможным использовать электромагнитную стимуляцию для воздействия на мозговые волны в качестве лечения заболеваний мозга. Исследователи уже видели обнадеживающие результаты этого подхода на мышах, и эти результаты могут помочь объяснить, почему. Еще одно потенциальное применение может быть связано с оценкой того, могут ли изменения в потоках спинномозговой жидкости служить диагностическим маркером некоторых из этих состояний. «Это дает нам массу интересной новой биологии для изучения и понимания, поскольку кажется, что вещи, которые мозг делает во время сна, удивительным образом связаны друг с другом», — говорит Льюис. «Наверное, самый важный вывод — то, что сон — это серьезно», — говорит Недергаард. «Чтобы мозг оставался здоровым, вам действительно нужно спать, потому что он связывает электрическую активность с практической функцией домашнего хозяйства».

Крупномасштабная корковая динамика медленных волн сна

Abstract

Медленные волны являются основным признаком сна на электроэнцефалограмме (ЭЭГ). Они отражают чередующиеся периоды гиперполяризации и деполяризации нейронов в корковых сетях.Хотя недавние открытия продемонстрировали их функциональную роль в формировании и укреплении нейронных сетей, широкомасштабная характеристика этих двух процессов остается неуловимой в человеческом мозге. В этом исследовании, используя одновременные записи ЭЭГ скальпа и внутричерепные записи у 10 пациентов с эпилепсией, мы исследовали динамику волн гиперполяризации и деполяризации на большей части коры головного мозга человека. Мы сообщаем, что процессы гиперполяризации и деполяризации могут происходить с двумя разными характерными временными длительностями, которые одинаковы для всех субъектов.Как для волн гиперполяризации, так и для волн деполяризации, их средняя скорость по коре была оценена примерно в 1 м / с. Наконец, мы охарактеризовали пути их распространения, изучив предпочтительные траектории между наиболее задействованными внутричерепными контактами. Для обеих волн, хотя отдельные события могли начаться почти во всех исследованных участках всей коры головного мозга, мы обнаружили, что большинство предпочтительных начальных местоположений располагались во фронтальных областях мозга, в то время как они имели тенденцию заканчиваться в задних и височных областях.

Образец цитирования: Ботелла-Солер В., Вальдеррама М., Крепон Б., Наварро В., Ле Ван Куен М. (2012) Крупномасштабная корковая динамика медленных волн сна. PLoS ONE 7 (2): e30757. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0030757

Редактор: Олаф Спорнс, Университет Индианы, США

Поступила: 3 марта 2011 г .; Принята к печати: 28 декабря 2011 г .; Опубликовано: 17 февраля 2012 г.

Авторские права: © 2012 Botella-Soler et al.Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания автора и источника.

Финансирование: Эта работа была поддержана проектом EPILEPSIAE Европейского Союза FP7 (развивающаяся платформа для улучшения ожиданий к жизни субъектов, страдающих от IctAl-событий, грант № 211713) и контрактами FIS2007-60133 (MCyT / FEDER, Испания) и AYA2010-22111-C03-02 (MICINN, Испания).VBS благодарит Generalitat Valenciana за финансовую поддержку. Финансирующие организации не играли никакой роли в дизайне исследования, сборе и анализе данных, принятии решения о публикации или подготовке рукописи.

Конкурирующие интересы: Авторы заявили, что никаких конкурирующих интересов не существует.

Введение

Медленные волны — наиболее заметная электроэнцефалографическая (ЭЭГ) характеристика сна, состоящая из чередующихся периодов активности и тишины в корковых сетях [1], [2].Как подтверждают внутриклеточные записи in vivo [3] и in vitro [4] у животных, активные состояния связаны с синаптически опосредованной деполяризацией и интенсивным возбуждением клеток, тогда как во время состояний молчания нейроны гиперполяризованы с прекращением синаптической и импульсной активности. . Эта медленная ритмическая активность генерируется внутренне в неокортексе [4], [5], синхронизирует корковые области с высокой временной точностью [6] и может задействовать несколько подкорковых мишеней [7], [8]. Считается, что это чередование активного и безмолвного состояний в корковых нейронах участвует в консолидации памяти [9], [10], [11], синаптическом гомеостазе [12] и восстановительных функциях сна [13].Тем не менее, несмотря на значительное понимание клеточных / синаптических механизмов, лежащих в основе этих волн [8], [14], пространственная и временная динамика, которая генерирует эти конкретные элементы ЭЭГ в человеческом мозге, остается плохо определенной [15], [16]. Записи ЭЭГ высокой плотности на уровне кожи головы показали, что медленные волны у людей имеют неоднородное корковое распределение, что позволяет предположить, что области коры по-разному участвуют в медленных волнах [17]. Более того, недавние наблюдения показали, что большинство медленных волн сна фактически ограничены локальными областями, которые неравномерно распределены по коре головного мозга [16].Кроме того, согласно недавним данным визуализации коры головного мозга мышей [18], их распространение состоит из сложных локальных путей с несколькими точками происхождения [19]. Несомненно, записанная ЭЭГ кожи головы недостаточна, чтобы полностью охарактеризовать их сложную крупномасштабную динамику из-за неизбежных эффектов линейного суммирования источников тока на больших корковых территориях и значительных расстояниях от мест записи до глубоких генераторов. Эти недостатки, тем не менее, можно преодолеть с помощью внутричерепных записей [15], [16], которые, кроме того, позволяют анализировать пространственно-когерентные действия на коротком расстоянии, которые невозможно быстро получить с помощью записей на коже черепа.Кроме того, количество исследований, одновременно анализирующих потенциал локального поля (LFP) и сигналы ЭЭГ кожи головы как у животных, так и у людей, довольно невелико, и поэтому совместный анализ на мезоскопическом (например, LFP) и макроскопическом (например, ЭЭГ скальпе) уровнях даст ценные результаты. новые данные в этом домене. В настоящем исследовании мы изучали медленную корковую активность во время полисомнографически определенных состояний сна и бодрствования с использованием одновременных ЭЭГ скальпа и внутричерепных записей у 10 субъектов, которым требовалось клиническое инвазивное обследование для лечения их эпилепсии.Благодаря этому относительно большому размеру выборки, а также широкому пространственному отбору (всего 417 исследованных участков внутричерепных электродов) мы смогли внутричерепно изучить характерную морфологию, продолжительность и пространственное распространение медленных волн на всем протяжении человеческого тела. кора головного мозга.

Результаты

Бимодальные распределения времен деполяризации и гиперполяризации

В это исследование была включена группа из 10 пациентов с резистентной к лекарствам эпилепсией.Внутричерепные LFP регистрировались с поверхности коры (субдурально) или с глубинных электродов, стереотаксически имплантированных в более глубокие корковые структуры. Образцы внутричерепных контактов были взяты из медиальной, латеральной и базальной лобной и височной коры, а также из медиальной и латеральной теменной и затылочной коры (более подробную информацию см. В Таблице S1). У всех испытуемых было 2–3 выбранных ночных записи. Медленные волны были автоматически идентифицированы с помощью одного электрода на скальпе и только по сегментам медленного сна с использованием предыдущей методологии [17] (см. Раздел «Материалы и методы» для более подробной информации).Следуя предыдущим работам [6], [17], начало каждой волны было позиционировано при максимальной отрицательности волн, так как считается, что это отражает переход к деполяризующей фазе внутриклеточно определяемых медленных колебаний. Мы предположили, что первый процесс, который приводит к синхронизации популяций нейронов в фазе молчащей гиперполяризации, начинается с первого максимума перед центральным минимумом медленных колебаний (начало гиперполяризации) и заканчивается на последующем минимуме (начало деполяризации). .Мы назвали T _h промежутком времени этой фазы [20] (см. Рисунок 1A). В начале деполяризации начинается второй процесс, в котором нейроны задействуются для активации, что приводит к глобальной фазе деполяризации. Мы предположили, что эта фаза заканчивается на первом максимуме после начала деполяризации, и мы назвали T _d ее временным интервалом (рис. 1A). Анализ внутричерепных записей, полученных одновременно, позволил нам напрямую охарактеризовать эти различные процессы, связанные с медленными волнами на коже черепа.В большинстве случаев внутричерепные медленные волны активности демонстрировали обратную полярность по отношению к ЭЭГ кожи головы, подтверждая то, что ранее было показано в исследованиях на животных [1] и людях [14]. Таким образом, здесь считалось, что фаза внутричерепной гиперполяризации начинается с первого минимума, а начало деполяризации находится на максимальном пике положительности (рис. 1А). Сначала мы проанализировали внутричерепные распределения для T _h и T _d , измеренные по всем обнаруженным медленным волнам (n = 33442) на всех внутричерепных контактах (n = 417) (Рисунок 1B).Для каждого зарегистрированного субъекта мы нашли бимодальное распределение временных интервалов деполяризации и гиперполяризации. Мы обозначаем характерные времена как и для быстрого и медленного времени гиперполяризации, и аналогично, обозначаем быстрое и медленное время деполяризации соответственно (рис. 1C). Положения пиков, то есть значения характерных времен, были удивительно согласованными для всех испытуемых (среднее (± стандартное отклонение) по всем предметам положения пиков: = 0,22 ± 0,01 с, = 0.44 ± 0,01 с, = 0,24 ± 0,01 с, = 0,43 ± 0,02 с) (Рисунок S1). При многократном внутричерепном контакте, когда анализировался один за другим, мы обнаружили два одинаковых пика в распределениях T _h и T _d , предполагая, что бимодальность не может быть просто объяснена региональными особенностями разных областей коры (Рисунок S2. ). Как показывает визуальный осмотр нескольких последовательных событий (Рисунок 1B), объяснение этой бимодальности заключается в сосуществовании двух различных типов медленных волн (Рисунок S3).Примеры сигналов ЭЭГ скальпа, связанных с быстрой / медленной гиперполяризацией / медленными волнами деполяризации, показаны на рисунке 2. Чтобы подтвердить это количественно, мы определили режим T _h и T _d каждого события и получили его статистические данные. раздача на всю ночь. Для этого мы использовали метод окна Парзена, также известный как оценка плотности ядра (далее KDE; см. Материалы и методы). Этот метод позволяет оценить функцию плотности вероятности и связанные с ней величины, такие как мода, определенной переменной на основе конечной (и, возможно, разреженной) выборки данных.При исследовании распределений мод появились два пика, подтверждающие наличие одного медленного () и одного быстрого () характерного времени как для процессов гиперполяризации, так и для процессов деполяризации медленного волнового события: = 0,23 ± 0,01 с, = 0,43 ± 0,01 с, = 0,26 ± 0,01 с, = 0,42 ± 0,02 с (рис. 3А). Кроме того, все эти характерные времена были однородно идентифицированы в течение всей ночи сна (рис. 3A), предполагая, что они не отражали формы волн, зависящие от состояния (например, K-комплексы стадии 2 и дельта-колебания стадий 3-4. ) или эффект давления сна в начале сна [21].Однако сложное ламинарное распространение региональных медленных волн может включать в себя различные источники, расположенные вдоль кортикальных слоев, и может генерировать флуктуирующие полярности волн, в зависимости от пространственного отношения между внутричерепным электродом и источником колебаний [15]. Эти фазовые флуктуации могут вызвать пропущенные или двойные циклы в характерных временах, которые могут объяснить нашу бимодальность. Чтобы изучить эту возможность, мы охарактеризовали участие коры в событиях быстрой / медленной гиперполяризации / деполяризации, подсчитывая общее количество вовлеченных внутричерепных контактов.Как показано на рисунке S4, мы не обнаружили различий в среднем количестве контактов во время быстрых и медленных событий, что отражает в обоих случаях одинаковое участие большого количества корковых участков. Это предполагает, что бимодальность и, в частности, события медленной гиперполяризации / деполяризации не являются ложным эффектом изменения полярности медленных волн из-за сложных путей распространения локальных медленных волн. Для дальнейшего изучения того, отражают ли медленные и быстрые события гиперполяризации / деполяризации разные физиологические явления, мы проанализировали, были ли они связаны с различиями в мощности / амплитуде таламически генерируемых веретен (8–18 Гц) (Рисунок S5).Для 3 субъектов с большим количеством обнаружений медленных волн мы наблюдали, что амплитуда активности веретена после минимума медленных волн была значительно больше во время событий медленной деполяризации, что предполагает участие таламуса в этих событиях. Наконец, настоящие результаты были получены на людях с эпилепсией, которые могут иметь аномальную синхронность в периоды без припадков в их глобальных моделях активности. Чтобы подтвердить универсальность распределений T _h и T _d , были проанализированы записи ЭЭГ кожи головы от 5 здоровых субъектов.В каждом случае, хотя эти два режима были менее четко разделены, также наблюдалось бимодальное распределение с пиковыми значениями, очень похожими на те, которые были идентифицированы во внутричерепных данных (Рисунок S6), подтверждая, что эпилепсия вряд ли может быть причиной эпилепсии. основной источник наблюдаемого явления.

Рис. 1. Иллюстрация метода обнаружения медленных волновых событий и пример распределений T _h / T _d .

A. Слева : 3D реконструированная имплантация одного пациента.Красный кружок отмечает приблизительное положение эталонного контакта кожи головы. Справа : Пример медленных колебаний скальпа и одного из его внутричерепных коррелятов (обратите внимание на инверсию полярности внутричерепного сигнала по отношению к скальпу). Все сигналы фильтруются в диапазоне 0,1–4,0 Гц. Начало гиперполяризации и деполяризации отмечено для сигнала скальпа. Также показана продолжительность фаз гиперполяризации (T _h ) и деполяризации (T _d ) каждого колебания (черные и серые горизонтальные линии соответственно). B. Сегмент сигнала кожи головы, представляющий шесть обнаруженных медленных волн. Для второго обнаружения были нанесены на график T _h и T _d обнаруженных внутричерепных коррелятов. Цифры обозначают контакты одного и того же электрода. Эта конкретная имплантация состояла из 55 контактов, распределенных по 11 электродам, 6 электродов (1–6, 30 контактов) в левой лобной доле и 5 (7–11 контактов, 25 контактов) в левой височной доле. Контакты в лобной доле охватывают области F1, F2 и орбиты во внутренние области, такие как передняя часть поясной извилины, островок и субкалловидная кора.Электроды в височной доле покрывают различные области коры и белого вещества, а также более глубокие структуры, такие как миндалевидное тело и гиппокамп. C. Примеры типичных функций плотности вероятности T _h и T _d , полученные для одного объекта. Для построения PDF-файлов учитывались только измеренные внутричерепно T _h и T _d . отметьте положение времен быстрой / медленной гиперполяризации / деполяризации объекта.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0030757.g001

Рисунок 2. Примеры медленных волн быстрой / медленной гиперполяризации / деполяризации.

A. Наложение отфильтрованных сигналов (0,1–4 Гц) записей ЭЭГ кожи головы (FP1), соответствующих 300 медленным волнам, показывающим быструю гиперполяризацию (вверху) и 300 медленным волнам, показывающим медленную гиперполяризацию (внизу) одного объекта (S1 ). Толстая красная линия — это средний профиль показанных отфильтрованных сигналов.Вертикальной пунктирной линией отмечена позиция начала гиперполяризации среднего сигнала. Графики на правых панелях показывают область распределения в режиме T _h , из которой были взяты события на рисунках. B. Наложение отфильтрованных сигналов (0,1–4 Гц) записей ЭЭГ кожи головы (FP1), соответствующих 300 медленным волнам, показывающим быструю деполяризацию (вверху), и 300 медленным волнам, показывающим медленную деполяризацию (внизу) субъекта S1. Толстая красная линия — это средний профиль показанных отфильтрованных сигналов.Вертикальная пунктирная линия отмечает конец деполяризации (как было определено в тексте). Графики на правых панелях показывают область в распределении режима T _d , из которой были отобраны события на рисунке.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0030757.g002

Рис. 3. Распределение режима T _{h / d} и исследование корреляции между временем гиперполяризации и деполяризации.

А. Mode T _{h / d} Probability Density Функции объекта и режим T _{h / d} для каждого из событий, обнаруженных в течение всей ночи сна (5685 событий было обнаружено в этой конкретной ночи, из которых только первые 5000 событий). показано). отметьте положение типичных времен режима быстрой / медленной гиперполяризации / деполяризации событий субъекта. B. Слева: T _d по сравнению с T _h для одного объекта. Справа: режим T _d vs.режим T _h для одного предмета. (В обоих случаях для цветового кодирования плотности использовалась логарифмическая шкала). C. Функция плотности вероятности (T _h + T _d ) и (режим T _h + режим T _d ). Сплошные линии соответствуют расчетному PDF-файлу с использованием KDE (см. Материалы и методы).

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0030757.g003

Мы исследовали существование временных соотношений между последовательными быстрой и медленной фазами гиперполяризации или деполяризации с помощью анализа линейной корреляции.Мы обнаружили очень слабую корреляцию между T _h и T _d (средний коэффициент корреляции по всем предметам: = 0,17 ± 0,06, p <0,05) при анализе всего набора внутричерепных контактов или между режимом T _h и режимом T _d (= 0,2 ± 0,1, p <0,05) медленных волновых событий. Слабая корреляция четко наблюдается на рисунке 3B, где T _d нанесен на график в зависимости от T _h и режима T _d в зависимости от режима T _h для всех медленных волн репрезентативного субъекта.Несмотря на то, что быстрая гиперполяризация встречается чаще, все возможные комбинации быстрой / медленной гиперполяризации / деполяризации могут быть идентифицированы в событии медленной волны. Таким же образом на рисунке 3C показаны распределения общего временного интервала T _h + T _d и режима T _h + mode T _d . Слабая корреляция снова подтверждается наличием трех пиков, представляющих все возможные комбинации между событиями быстрой / медленной гиперполяризации / деполяризации. Кроме того, мы также исследовали корреляции по группам смежных во времени медленных волн.В этом случае мы исследовали корреляцию между временами гиперполяризации мод (= 0,24 ± 0,09, p <0,05), между временами деполяризации мод = 0,2 ± 0,1, p <0,05), а также корреляцию между временем деполяризации одного события и время гиперполяризации следующего (= 0,14 ± 0,09, p <0,05). Наблюдаемая слабая линейная корреляция предполагает, что всплески соседних быстрых / медленных волн гиперполяризации / деполяризации появляются в сложных последовательностях во время одной и той же стадии сна.

Скорость распространения гиперполяризации и деполяризации

Традиционно распространение медленных волн изучали как распространение волны деполяризации (D-волны) [17].Мы действительно наблюдали это распространение по нашим внутричерепным данным. На рисунке 4 показано распространение глобального события медленной волны и три локальных схемы распространения. В этой работе мы также приняли во внимание процесс гиперполяризации, который предшествует началу деполяризации, и рассмотрели гиперполяризацию как явление бегущей волны (H-волна). Скорость распространения обеих волн оценивалась двумя методами. Первый метод заключался в вычислении мгновенной скорости медленной волны.Учитывая два последовательных обнаружения одного и того же события медленной волны, скорость была рассчитана на основе расстояния между двумя точками контакта, нормированного в координатном пространстве Талаираха [22], и известной временной задержки между соответствующими обнаружениями. Этот метод предполагает линейное распространение волн и не учитывает особые характеристики коры головного мозга, такие как ее извилистая поверхность. Чтобы уменьшить ошибку в оценке скорости, мы установили порог максимального расстояния (40 мм) между контактами обнаружения.Гистограммы мгновенной скорости были получены для каждого испытуемого и каждого типа волн. Все гистограммы показали четкий пик режима, точное значение которого было оценено с помощью KDE (пример можно увидеть на рисунке S7). Модовая скорость H-волны варьировалась от 0,35 до 0,56 м / с у испытуемых со средним значением 0,5 ± 0,1 м / с. Для D-волны скорость моды находилась в диапазоне 0,8–1,5 м / с и обеспечивала среднее значение 1,0 ± 0,2 м / с. Как мы уже упоминали, этот метод может давать заниженные оценки бегущих скоростей из-за предположения о прямолинейном распространении медленной волны между контактами.Чтобы еще больше уменьшить влияние этих предположений, мы провели вторую оценку. В этом случае мы выбрали для разных испытуемых пары тесных внутричерепных контактов (расстояние менее 15 мм) с хорошим процентом обнаружений. Затем мы оценили среднюю скорость контакта для каждой пары. Всего было изучено 10 пар 7 разных предметов. Средняя скорость H-волны колебалась от 0,7 до 1,6 м / с, а среднее значение — 1,0 ± 0,3 м / с. Средняя скорость волны D составляла от 0,9 до 1.9 м / с при среднем значении 1,3 ± 0,4 м / с. Как и ожидалось, этот второй метод дал более точные оценки скоростей. Используя обе оценки, мы не смогли найти каких-либо различий в скоростях распространения между волнами быстрой и медленной деполяризации. Здесь необходимо более точное описание их анатомических путей для изучения тонких различий в скорости их распространения.

Рисунок 4. Распространение медленных волн.

A. Отфильтрованные (0,1–4 Гц) сигналы интракраниальных контактов ЭЭГ одного глобального события медленной волны, упорядоченные как функция положения минимума (красные точки).Вертикальной пунктирной линией отмечено положение минимума первого обнаружения. B. Три примера локального распространения в височной доле. Каждый пример соответствует отдельному событию медленной волны. Во всех случаях сигналы связаны с положением записывающих контактов в мозгу, представленных красными кубами.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0030757.g004

Пути происхождения и распространения в сетях концентраторов

Тщательный анализ наших данных подтвердил, что динамика бегущей медленной волны очень далека от простой динамики плоской или сферической волны точечного и устойчивого происхождения [19].Каждое событие медленной волны кажется уникальным по своему происхождению и динамике. Кроме того, наши данные подтвердили, что медленные волны не являются глобальным захватом всех областей коры через одну распространяющуюся волну, а часто состоят из сложных локальных паттернов с множеством точек происхождения. Чтобы справиться с этой сложностью, мы определили для каждого субъекта набор внутричерепных контактов, которые были статистически более вовлечены во все обнаруженные события, то есть контакты с количеством обнаружений, по крайней мере, на одно стандартное отклонение выше среднего.Определенные в сети распространения медленных волн (внутричерепные контакты, действующие как узлы, а связи — как причинно-связанные обнаружения), эти контакты можно рассматривать как концентраторы , поскольку они будут наиболее связанными узлами. Мы изучили распространение, изучив, в каком порядке каждое событие посещало эти хабы. Мы также вычислили, в какой порядковой позиции (первый, второй и т. Д.) Каждый хаб с большей вероятностью был посещен, проанализировав статистику по всем событиям. Наконец, соединение первых ступиц со вторыми ступицами , вторых ступиц с третьими и т. Д.можно построить ориентированный граф, который установит причинно-следственную связь между концентраторами и, следовательно, тенденцию статистического распространения для каждого субъекта (рисунок S8). На рисунке 5A первая (синие сферы) и последняя ступицы (красные кресты) всех субъектов наложены на одну кортикальную реконструкцию. Мы не обнаружили серьезных различий в распространении H- и D-волн. И для H-волны, и для D-волны мы нашли 35 первых узлов и только 15 последних узлов из 417 контактов. На наш взгляд, это свидетельствует о большей неоднородности начального положения медленных волн.Большинство первых узлов располагалось в передних отделах мозга, в то время как последние, по-видимому, предпочитали задние отделы. В частности, для H-волны мы обнаружили 17 первых узлов в лобной доле, 3 — в поясной коре, 12,5 — в височной доле и 2,5 — в затылочной доле (в соответствии с Таблицей S1, контакты между двумя соседними областями рассматриваются как по половине в каждой). Последние хабы, напротив, больше присутствовали в задних отделах мозга: 7 — в височной доле, 3 — в затылочной области, 1 — в теменной доле и только 4 — в лобной доле.Результаты для зубца D были аналогичными: 20 из 35 первых узлов располагались в лобной доле, 2 — в поясной коре, 11,5 — в височной доле и 1,5 — в затылочной доле. Последние узлы зубца D также чаще встречались в задних отделах: 7 в височной доле и 2 в затылочной коре (остальные располагались 4,5 в лобной коре, 1 в теменной и 0,5 в поясной коре) ( Рисунок 5B). Несмотря на то, что происхождение медленных волн могло быть очень неупорядоченным, мы идентифицировали область без последних узлов во фронтальной коре, где первые узлы имели тенденцию к концентрации (кора F1 / F2, включающая верхнюю лобную извилину и верхнюю лобную борозду).На рисунке 5A можно наблюдать определенную латерализацию с большим количеством первых узлов в левом полушарии, но это можно объяснить неоднородным распределением внутричерепных контактов: 295 (71%) расположены в левом полушарии и только 122 (29%) имплантированы в левом полушарии. правое полушарие. Для подтверждения этих результатов необходимы исследования с большим количеством субъектов или с лучшим пространственным разрешением.

Рисунок 5.

Результаты исследования распространения. А. Слева: Первый и последний центры распространения H-волн всех исследуемых субъектов наложены на один и тот же эталонный мозг (вид сверху и слева). Справа: Первый и последний центры распространения D-волн всех исследуемых субъектов, наложенные на один и тот же эталонный мозг (вид сверху и слева). Маленькие черные точки соответствуют имплантированным контактам, не имеющим первого / последнего символа ступицы. Они показаны, чтобы проиллюстрировать общий охват суммы отдельных имплантаций.Обратите внимание, что окончательный охват по сумме всех имплантаций неоднороден: 295 (71%) контактов в левом полушарии и 122 (29%) в правом полушарии. B. Количество первых / последних узлов, обнаруженных в каждой из следующих областей: лобной (Fro), теменной (Par), островковой (Ins), поясной коры (Cin), височной (Tem), затылочной (Occ) и полосатом теле (Ул.).

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0030757.g005

Обсуждение

В настоящем исследовании изучалась крупномасштабная динамика медленных волн сна в коре головного мозга человека с использованием внутричерепных записей ЭЭГ.Мы сообщаем о следующих наблюдениях: 1) Процессы гиперполяризации и деполяризации имеют два различных характерных времени. 2) Слабая линейная корреляция может быть идентифицирована между последовательными фазами быстрой / медленной гиперполяризации или деполяризации. 3) Используя два дополнительных метода, мы оценили среднюю скорость обеих бегущих волн примерно как 0,5 ± 0,1 м / с (H-волна) и 1,0 ± 0,2 м / с (D-волна) (1,0 ± 0,3 м / с и 1,3 м / с). ± 0,4 м / с соответственно). 4) Для обеих волн предпочтительные исходные местоположения были расположены в передних отделах мозга, в то время как они имеют тенденцию заканчиваться в задних и височных областях.

Помимо описательной статистики медленных волн, первым новым открытием этой работы было определение двух характерных времен как для процессов гиперполяризации, так и для процессов деполяризации. Эти медленные и быстрые процессы были удивительно последовательными у всех субъектов и не показали значительной корреляции с региональными особенностями различных областей коры или разных стадий сна. Сильное подтверждение физиологического существования этого феномена дает наш анализ медленных волн на коже головы здоровых субъектов, которые также демонстрируют бимодальность времен гиперполяризации и деполяризации.Это говорит о том, что бимодальность не связана с эпилептическим состоянием наших внутричерепных пациентов. Более того, демонстрация бимодальности на записях ЭЭГ скальпа позволяет нам исключить возможность того, что это явление могло быть вызвано флуктуирующими полярностями волн вокруг внутричерепных участков записи [15] — [16], поскольку электроды скальпа располагаются намного выше кортикальных генераторов медленные волны. Чтобы еще раз подтвердить эту точку зрения, мы вычислили среднее количество контактов, участвующих в обнаружении быстрых и медленных событий.Мы обнаружили, что оба события включают одинаковое количество корковых участков, предполагая, что бимодальность не может быть объяснена изменением путей распространения по кортикальным слоям, что приводит к отсутствию или двойным циклам записанного сигнала. Наконец, мы обнаружили слабую линейную корреляцию между последовательными последовательными фазами быстрой и медленной гиперполяризации или деполяризации, предполагая, что эти события возникают смешанным и сложным образом во время одной и той же стадии сна. Мы предполагаем, что между этими двумя процессами могут существовать нелинейные отношения, особенно дальнодействующие временные корреляции на временных масштабах в несколько минут [23].Важно отметить, что в этом исследовании связь восходящей и нисходящей фаз медленной волны с клеточными процессами гиперполяризации и деполяризации является гипотезой по своей природе, поскольку мы не коррелировали наши данные с внутриклеточными записями. Как также предполагается в других исследованиях [17], эта связь подтверждается предыдущими наблюдениями корреляции клеточной активности и активности ЭЭГ [1], [6]. Однако для подтверждения этих гипотез необходимы дальнейшие исследования на клеточном уровне человеческого мозга [16].

Основные причины этой новой бимодальности медленных волн до сих пор неясны. Возможное объяснение состоит в том, что они могут быть связаны с влиянием подкорковых областей на корковую синхронность. В самом деле, хотя медленные волны генерируются в коре головного мозга, как показано у животных с поражением таламуса [5] и подтверждено у животных после удаления коры [24], недавние данные предполагают роль таламической активности в запуске медленных корковых волн через таламокортикальные связи [8], [25], [26]. В частности, в корковых сетях, в которых отсутствует таламический вход, т.е.е. кортикальные пластины [27] или срезы [4], волна гиперполяризации значительно длиннее, чем при наличии таламического входа. Кроме того, средняя продолжительность фаз деполяризации увеличивается с увеличением таламических входов [26], что также предполагается вычислительными моделями [28]. Следовательно, быстрая гиперполяризация или медленное время деполяризации могут отражать различное значение таламуса. Предварительный анализ амплитуды активности веретена (8–18 Гц) около минимума медленной волны показывает различия в этой полосе частот между медленными волнами с медленной и быстрой деполяризацией.В частности, для небольшой группы отобранных пациентов мы наблюдали, что события медленной деполяризации сопровождаются сильной и хорошо организованной активностью веретена (≈12–16 Гц), совпадающей с корковыми up-состояниями (см. Рисунок S5). Напротив, события быстрой деполяризации обнаруживают более диффузную активность веретена в кортикальных up-состояниях, но альфа-подобная активность (≈8-10 Гц) может быть видна, совпадая с началом деполяризации. Эта смесь действий, связанных с волнами быстрой деполяризации, может указывать на сходство этих типов событий с K-комплексами или эпизодами микропробуждения, происходящими во время активной фазы циклических чередующихся паттернов (CAP) [29].В CAP K-комплексах присутствуют также другие более быстрые действия, включая веретенообразование. По нашему мнению, эти различия в отношении активности веретена между медленными и быстрыми волнами деполяризации подтверждают гипотезу об особом участии таламуса в этих двух разных событиях. Однако необходимы дальнейшие работы в этом направлении для полного выяснения роли таламуса в каждом типе медленных волновых процессов.

Наш второй результат — прямая оценка скорости распространения волн гиперполяризации и деполяризации по коре головного мозга.Используя два разных метода, мы оценили типичную скорость обеих волн в 1 м / с. Интересно, что хотя эта скорость имеет тот же порядок величины, что и предыдущие оценки по ЭЭГ (2,7 м / с в [17]; 2,2 м / с в [19]) и компьютерному моделированию [30], полученные значения несколько меньше, чем ранее опубликованные оценки скорости распространения деполяризации у человека. Линейные взаимодействия напряжений, присущие записям ЭЭГ скальпа [17], или их перекрытие при моделировании источников [19], скорее всего, являются причиной завышенной оценки скорости внутричерепного распространения.Однако, по нашим данным, распространение вируса было быстрее, чем средняя скорость около 0,1 м / с, оцененная при записи нескольких участков коры разных областей анестезированных кошек [31]. Наши более высокие скорости могут отражать не только небольшое завышение оценки из-за наклонно распространяющихся волн или объемной проводимости [17], но также и более высокую скорость распространения в коре головного мозга человека, вторичную по причине ее широко распространенной связи на большие расстояния. В самом деле, скорость распространения в кортикальных срезах хорьков мала, около 0,01 м / с, учитывая, что она зависит исключительно от локальной связи [4].

Наши данные были зарегистрированы у пациентов с лекарственной эпилепсией, у которых распространение медленных волн может быть нарушено эпилептическими расстройствами. Тем не менее, как и несколько других исследований сна с использованием внутричерепных данных [15], [16], мы считаем, что влияние патологии на наши результаты незначительно по следующим причинам. Во-первых, высокая эпилептическая активность была визуально идентифицирована и удалена из наших данных. Во-вторых, согласно нашему автоматическому обнаружению, динамика медленных волн находилась в ожидаемом нормальном диапазоне, включая стандартные морфологии, длительность, амплитуду и пространственную протяженность.В-третьих, из общего количества внутричерепных контактов 83% находились за пределами эпилептогенной зоны. Наконец, межприступные эпилептические события имеют заметно различающуюся временную динамику с чрезвычайно быстрой синхронизацией, но более ограниченной по своей пространственной протяженности. Распространение, которое мы описываем здесь, показало замечательную глобальную динамику, воспроизводимую от одного пациента к другому.

Кроме того, есть явные параллели между результатами [19] и нашими данными. В обоих исследованиях сообщалось, что спонтанные медленные волны распространяются по кортикальной области.Тем не менее была обнаружена высокая пространственная изменчивость распространения. В частности, медленные волны состоят из нескольких путей распространения, которые могут варьироваться от одной волны к другой, и с несколькими точками происхождения [18]. Эта переменная сеть распространения может отражать уровень зависящей от активности синхронизации, достигаемой в корковых нейронных ансамблях, который зависит от локальной гомеостатически регулируемой средней синаптической силы [32]. В нашей работе мы решили уменьшить эту сложность, изучая только предпочтительные траектории между внутричерепными участками, статистически более вовлеченными в медленные волны.Мы обнаружили, что как для волн гиперполяризации, так и для волн деполяризации большинство первых узлов было локализовано в передних частях мозга, в то время как последние, по-видимому, предпочитали задние части. Это еще раз подтверждает наличие корковых генераторов во фронтальной коре головного мозга с повышенной собственной возбудимостью, которые могут постоянно генерировать медленные волны во время сна.

Материалы и методы

Заявление об этике

Сигналы ЭЭГ регистрировались для предоперационной оценки пациентов.Пациенты дали письменное согласие на использование этих данных в исследованиях. Процедура была одобрена нашим местным этическим комитетом (CPP Ile-de France VI, Groupe Hospitalier Pitié-Salpêtrière).

Субъекты и регистрация ЭЭГ

Для внутричерепного исследования — записи ЭЭГ сна 10 субъектов (5 женщин; возраст 18–49 лет; средний возраст = 32,9) с рефрактерной парциальной эпилепсией, проходящих предоперационное обследование, госпитализированных в период с февраля 2002 г. по июль 2007 г. в отделение эпилепсии. в парижской больнице Питье-Сальпетриер.Каждого пациента непрерывно обследовали в течение нескольких дней с помощью внутричерепных и скальповых электродов (система сбора данных Nicolet, Калифорния, США). Глубинные электроды состояли из 4-10 цилиндрических контактов длиной 2,3 мм, диаметром 1 мм, расположенных на расстоянии 10 мм от центра к центру, установленных на гибком пластиковом зонде шириной 1 мм. Субдуральные электроды представляли собой полоски с 4–8 односторонними круглыми контактами, диаметром 2,3 мм и расстоянием между центрами 10 мм. Эффективная площадь поверхности составила 7,2 мм ² для глубинных контактов и 4.15 мм ² для субдуральных контактов. МРТ до и после имплантации оценивали анатомически и точно определяли местонахождение каждого контакта вдоль траектории электрода. Координаты внутричерепных контактов Talairach оценивались с помощью программного пакета BrainVisa / Anatomist (http://brainvisa.info/). Размещение электродов внутри каждого пациента определялось исключительно клиническими критериями; однако рутинное клиническое использование широкого анатомического покрытия для внутричерепных записей обеспечило большой выбор электрофизиологических данных по тканям за пределами эпилептогенной зоны.В частности, было проанализировано 417 внутричерепных контактов, из которых 83% находились за пределами эпилептогенной зоны. Внутричерепные контакты были распределены в различных областях мозга следующим образом: 122 в лобных областях, 12 в теменных областях, 19 в затылочных областях, 231,5 в височных областях, 23 в поясной коре головного мозга, 8 в островковой части и 1,5 в полосатом теле. (контакты между двумя соседними регионами считались половинными в каждом). Сигналы оцифровывались с частотой 400 Гц.Для нормализации сигналов был выбран общий эталонный монтаж среднего значения. Шумные электроды и электроды с высокой эпилептической активностью были исключены из среднего числа при визуальном осмотре. Был получен набор данных из 22 полных ночей сна с как минимум двумя полными циклами сна, причем каждый субъект имел 2–3 ночи. Каждую ночь оценивали стадии сна с помощью программного обеспечения Somnologica ™. Все пациенты дали свое информированное согласие, и процедуры были одобрены местным этическим комитетом (CCP).

записи ЭЭГ сна на коже головы 5 здоровых мужчин. Для каждого предмета были изучены 3 полных ночи. Электрографическая (ЭЭГ), электроокулограмма (ЭОГ) и электромиограмма подбородка (ЭМГ) одновременно отслеживалась и использовалась для классификации различных состояний сна.

Цифровая полосовая фильтрация между частотами f ₁ –f ₂ во всех случаях реализовывалась с помощью прямого и обратного цифрового бесконечного импульсного отклика (БИХ) типа II фильтра Чебышева (полоса пропускания: f ₁ ≤f≤f ₂ Гц, затухание ≤1 дБ, монотонный; полоса задерживания: f≤ (f ₁ −k) или f≥ (f ₂ + k) Гц, где k = 0.5 для f _1,2 ≥1 Гц или k = 0,05, в противном случае затухание ≥100 дБ, равновеликое). Шум электрической сети на частоте 50 Гц подавлялся заграждающим фильтром того же типа. Все анализы были выполнены в MATLAB® (The MathWorks ™, Массачусетс, США).

Критерии обнаружения колебаний сна

Для субъектов с внутричерепной ЭЭГ медленные колебания сначала были обнаружены с одного электрода на скальпе и только по сегментам медленного сна. Поскольку не у всех испытуемых было одинаковое количество электродов на скальпе, для анализа был выбран FP1, поскольку он систематически регистрировался и ранее использовался для изучения медленноволновой активности [21].Для автоматического обнаружения медленных волн все сигналы подвергались полосовой фильтрации в диапазоне 0,1–4 Гц. Критерии автоматического обнаружения в ЭЭГ скальпа были выбраны в соответствии с литературными [17], [19]: (1) разделение между отрицательным пересечением нуля и последующим положительным пересечением нуля в течение 0,125–1,0 с; (2) расстояние между положительным пересечением нуля и последующим отрицательным пересечением нуля 0,125–1,5 с; (3) отрицательный пик между первыми двумя переходами через ноль с напряжением V [-400, -80] мкВ; (4) от отрицательной к положительной размах амплитуды> 140 мкВ.Мы не принимали во внимание случаи, когда между переходами было более одного минимума. Как только медленные колебания были обнаружены в ЭЭГ скальпа, было проведено исследование корреляции, чтобы определить, какие другие внутричерепные контакты также обнаружили эту конкретную медленную волну. Мы открыли 1,5-секундное окно вокруг минимума скальпа и вычислили коэффициент корреляции между сигналом скальпа и сигналом внутричерепных контактов. Мы предполагаем, что внутричерепной электрод обнаружил медленные колебания, если абсолютное значение коэффициента корреляции> 0.6, а амплитуда минимума (максимума в случае инверсии) имеет величину не менее 25% от амплитуды в коже черепа. Мы идентифицировали событие медленной волны, когда по крайней мере 40% активных контактов обнаружили медленное колебание.

Для субъектов ЭЭГ скальпа сначала были обнаружены медленные колебания с электрода С3. Критерии выявления такие же, как и во внутричерепном случае. Подобно внутричерепному случаю, было проведено корреляционное исследование, чтобы определить, какие контакты кожи головы также выявили событие медленной волны.

Оценка плотности ядра (KDE)

Оценка плотности ядра — это метод оценки функций плотности вероятности и мод [33].

Теоретическая основа метода KDE следующая: Учитывая набор i.i.d. случайные величины X ₁ , X ₂ , X ₃ … мы можем оценить соответствующую функцию плотности вероятности, где K (…) называется ядром, а h — полосой пропускания. Обычно выбирается ядро ​​гауссовского типа. Мы реализовали этот метод, используя функцию ksde density пакета программ MATLAB® (The MathWorks ™, Массачусетс, США).

Вспомогательная информация

Рисунок S2.

Статистика T _h и T _d для единичных внутричерепных контактов. Гистограммы Th и Td для четырех различных записывающих контактов. Первый расположен в передней верхней коре головного мозга, второй — в височной коре Т1, третий — в теменной коре вблизи боковой борозды, а четвертый — в затылочной коре О2. Фронтальный и височный контакты соответствуют субъекту S1 (см. Таблицу S1), теменный контакт — субъекту S5, а затылочный — субъекту S4.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0030757.s002

(TIFF)

Рисунок S3.

Примеры SW-событий с разным характерным временем гиперполяризации и деполяризации. A. Слева: пример характерного события быстрой гиперполяризации. Справа: Пример характерного события медленной гиперполяризации. Положение режима T _h событий в распределении вероятностей отмечено на верхнем графике. B. Слева: Пример характерного события медленной деполяризации. Справа: Пример характерного события быстрой деполяризации. Положение режима T _d событий в распределении вероятностей отмечено на верхнем графике.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0030757.s003

(TIF)

Рисунок S4.

Среднее количество внутричерепных контактов, участвующих в обнаружении быстрых / медленных событий гиперполяризации / деполяризации. Показанные средние значения были рассчитаны для восьми субъектов (от S1 до S8 в таблице S1) для их событий быстрой / медленной гиперполяризации (верхняя панель) и деполяризации (нижняя панель).

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0030757.s004

(TIF)

Рисунок S5.

Анализ таламически генерируемых веретен во время быстрой и медленной деполяризации. Каждая панель (от 1 до 5) соответствует одному контакту внутричерепного электрода (синие точки на анатомическом рисунке).Отдельно исследуются события быстрой и медленной деполяризации. На каждой панели сверху вниз: отфильтрованные сигналы (0,1–4 Гц) обнаруженных медленных волн выровнены вокруг их центрального пика (красный) со средней среднеквадратичной активностью (зеленая линия) в полосе 8–18 Гц; Среднее их частотно-временное представление.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0030757.s005

(TIFF)

Рисунок S8.

Иллюстрация метода изучения распространения. Вверху слева : процент от общего числа событий субъекта (S5), обнаруженных каждым из его внутричерепных контактов.Пунктирная линия соответствует порогу одного стандартного отклонения. Вверху справа : вероятность обнаружения в зависимости от порядка обнаружения для каждого концентратора. Эта вероятность была рассчитана для всех событий субъекта. Черные кружки указывают положение максимальной вероятности обнаружения каждого концентратора. Внизу : Реконструкция ориентированного графа при внутричерепной имплантации (в данном случае временная имплантация) и схематическое изображение процедуры построения графа.Синие сферы отмечают концентраторы, которые предпочтительно выполняют первое обнаружение, а красные кресты отмечают концентраторы, которые предпочтительно выполняют последнее обнаружение.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0030757.s008

(TIF)

Таблица S1.

Детали внутричерепной имплантации. Контакты в эпилептической иктальной зоне соответствуют здесь контактам, связанным с началом приступа. Контакты в эпилептической интерктальной зоне соответствуют здесь контактам, связанным с эпилептическими спайками во время межприступных периодов.Контакты между двумя соседними регионами считались половинными в каждом. Обозначения: Fro (лобная), Par (теменная), Occ (затылочная), Cin (поясная), Ins (островковая), Str (полосатое тело).

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0030757.s009

(DOC)

Благодарности

Авторы благодарят Марчелло Массимини за полезные комментарии к этой статье.

Вклад авторов

Проведенные эксперименты: BC VN. Проанализированы данные: VBS MV. Написал статью: VBS MV MLVQ.

Список литературы

1. 1. Steriade M, Nunez A, Amzica F (1993) Новое медленное (<1 Гц) колебание нейронов неокортекса in vivo: деполяризующие и гиперполяризующие компоненты. Журнал неврологии 13 (8): 3252–3265.
2. 2. Achermann P, Borbely AA (1997) Низкочастотные (<1 Гц) колебания в электроэнцефалограмме сна человека. Неврология 81 (1): 213–222.
3. 3. Исомура Ю., Сирота А., Озен С., Монтгомери С., Мизусеки К. и др.(2006) Интеграция и сегрегация активности в субрегионах энторинально-гиппокампа с помощью неокортикальных медленных колебаний. Нейрон 52 (5): 871–882.
4. 4. Санчес-Вивес М.В., Маккормик Д.А. (2000) Клеточные и сетевые механизмы ритмической повторяющейся активности в неокортексе. Природа нейробиологии 3 (10): 1027–1034.
5. 5. Steriade M, Nunez A, Amzica F (1993) Внутриклеточный анализ отношений между медленными (<1 Гц) неокортикальными колебаниями и другими ритмами сна на электроэнцефалограмме.Журнал неврологии 13 (8): 3266–3283.
6. 6. Волгушев М., Шоветт С., Муковский М., Тимофеев И. (2006) Точная долгая синхронизация активности и тишины в неокортикальных нейронах во время медленноволнового сна. Журнал неврологии 26 (21): 5665–5672.
7. 7. Steriade M, Contreras D, Curro Dossi R, Nunez A (1993) Медленные (<1 Гц) колебания в ретикулярных таламических и таламокортикальных нейронах: сценарий генерации ритма сна во взаимодействующих таламических и неокортикальных сетях.Журнал неврологии 13 (8): 3284–3299.
8. 8. Крунелли В., Хьюз С.В. (2010) Медленный (<1 Гц) ритм медленного сна: диалог между тремя кардинальными осцилляторами. Nature Neuroscience 13 (1): 9–17.
9. 9. Sejnowski TJ, Destexhe A (2000) Почему мы спим? Исследование мозга 886 (1-2): 208–223.
10. 10. Хубер Р., Феличе Гиларди М., Массимини М., Тонони Г. (2004) Местный сон и обучение. Природа 430: 78–81.
11. 11. Дикельманн С., Борн Дж. (2010) Функция памяти сна.Nature Reviews Neuroscience 11: 114–126.
12. 12. Тонони G, Cirelli C (2006) Функция сна и синаптический гомеостаз. Обзоры медицины сна 10: 49–62.
13. 13. Cirelli C, Tononi G (2008) Важен ли сон? PLoS Biology 6 (8): e216.
14. 14. Черча Р., Домбовари Б., Фабо Д., Виттнер Л., Эрёсс Л. и др. (2010) Ламинарный анализ медленноволновой активности человека. Мозг 133 (9): 2814–2829.
15. 15. Кэш С.С., Халгрен Э., Дехгани Н., Россетти А.О., Тесен Т. и др.(2009) К-комплекс человека представляет собой изолированное корковое пониженное состояние. Наука 324: 1084–1087.
16. 16. Nir Y, Staba RJ, Andrillon T, Вязовский В.В., Cirelli C и др. (2011) Региональные медленные волны и веретена во сне человека. Нейрон 70: 153–169.
17. 17. Массимини М., Хубер Р., Феррарелли Ф, Хилл С., Тонони Г. (2004) Медленные колебания сна как бегущая волна. Журнал неврологии 24 (31): 6862–6870.
18. 18. Mohajerani MH, McVea DA, Fingas M, Murphy TH (2010) Зеркальная двусторонняя медленноволновая кортикальная активность в местных цепях, выявленная с помощью быстрой биополушарной визуализации чувствительного к напряжению красителя у наркозависимых и бодрствующих мышей.Журнал неврологии 30 (10): 3745–3751.
19. 19. Мерфи М., Риднер Б.А., Хубер Р., Массимини М., Феррарелли Ф. и др. (2009) Источник, моделирующий медленные волны сна. Труды Национальной академии наук 106 (5): 1608–1613.
20. 20. Amzica F, Steriade M (1998) Электрофизиологические корреляты дельта-волн сна. Электроэнцефалография и клиническая нейрофизиология 107 (2): 69–83.
21. 21. Риднер Б.А., Вязовский В.В., Хубер Р., Массимини М., Эссер С. и др.(2007) Гомеостаз сна и корковая синхронизация: III. Исследование медленных волн сна у людей с помощью ЭЭГ высокой плотности. Сон 30 (12): 1643–1657.
22. 22. Talairach J, Tournoux P (1988) Копланарный стереотаксический атлас человеческого мозга: трехмерная пропорциональная система: подход к церебральной визуализации. Издательство Thieme Medical.
23. 23. Ferri R, Rundo F, Bruni O, Terzano MG, Stam CJ (2005) Динамика синхронизации медленных волн ЭЭГ во время сна. Клиническая нейрофизиология 116: 2783–2795.
24. 24. Тимофеев И., Стериаде М. (1996) Низкочастотные ритмы в таламусе интактной коры и декортикации кошек. Журнал Neurophysioloy 76 (6): 4152–4168.
25. 25. MacLean JN, Watson BO, Aaron GB, Yuste R (2005) Внутренняя динамика определяет корковый ответ на таламическую стимуляцию. Нейрон 48 (5): 811–823.
26. 26. Ригас П., Кастро-Аламанкос М.А. (2007) Состояния таламокортикального подъема: дифференциальные эффекты внутренних и внешних корковых входов на постоянную активность.Журнал неврологии. 27. (16): pp. 4261–4272.
27. 27. Тимофеев И., Гренье Ф., Баженов М., Сейновски Т. Дж., Стериад М. (2000) Происхождение медленных кортикальных колебаний в глухих кортикальных пластинах. Кора головного мозга 10 (12): 1185–1199.
28. 28. Holcman D, Tsodyks M (2006) Возникновение состояний вверх и вниз в корковых сетях. PLoS Computational Biology 2 (3): e23.
29. 29. Терцано М.Г., Паррино Л., Шериери А., Червин Р., Чокроверти С. (2001) Атлас, правила и методы записи для оценки циклического переменного паттерна (ЦАП) во сне человека.Медицина сна 2 (6): 537–553.
30. 30. Hill S, Tononi G (2005) Моделирование сна и бодрствования в таламокортикальной системе. Журнал нейрофизиологии 93 (3): 1671–1698.
31. 31. Amzica F, Steriade M (1995) Короткая и дальняя нейронная синхронизация медленных (<1 Гц) колебаний коры. Журнал нейрофизиологии 73 (1): 20–38.
32. 32. Esser SK, Hill SL, Tononi G (2007) Гомеостаз сна и корковая синхронизация: I.Моделирование влияния синаптической силы на медленные волны сна. Сон 30 (12): 1617–1630.
33. 33. Parzen E (1962) Об оценке функции плотности вероятности и моды. Анналы математической статистики 33 (3): 1065–1076.

Нарколепсия — Симптомы и причины

Обзор

Нарколепсия — хроническое нарушение сна, характеризующееся сильной дневной сонливостью и внезапными приступами сна.Людям с нарколепсией часто бывает трудно бодрствовать в течение длительного времени, независимо от обстоятельств. Нарколепсия может вызвать серьезные нарушения в повседневной жизни.

Иногда нарколепсия может сопровождаться внезапной потерей мышечного тонуса (катаплексией), которая может быть вызвана сильными эмоциями. Нарколепсия, возникающая при катаплексии, называется нарколепсией 1 типа. Нарколепсия, протекающая без катаплексии, известна как нарколепсия 2 типа.

Нарколепсия — хроническое заболевание, от которого нет лечения.Однако лекарства и изменение образа жизни могут помочь вам справиться с симптомами. Поддержка других людей — семьи, друзей, работодателей, учителей — может помочь вам справиться с нарколепсией.

Продукты и услуги

Симптомы

Признаки и симптомы нарколепсии могут ухудшаться в течение первых нескольких лет, а затем сохраняться на всю жизнь. В их числе:

• Чрезмерная дневная сонливость. Люди с нарколепсией засыпают без предупреждения, в любом месте и в любое время. Например, вы можете работать или разговаривать с друзьями и внезапно задремаете, спите от нескольких минут до получаса. Когда вы просыпаетесь, вы чувствуете себя отдохнувшим, но в конце концов снова становитесь сонным.

  Вы также можете испытывать снижение внимания и внимания в течение дня. Чрезмерная дневная сонливость обычно является первым симптомом и часто вызывает наибольшее беспокойство, мешает вам сосредоточиться и полноценно функционировать.

• Внезапная потеря мышечного тонуса. Это состояние, называемое катаплексией (KAT-uh-plek-see), может вызывать ряд физических изменений, от невнятной речи до полной слабости большинства мышц, и может длиться до нескольких минут.

  Катаплексия неконтролируема и вызывается сильными эмоциями, обычно положительными, такими как смех или волнение, но иногда страхом, удивлением или гневом. Например, когда вы смеетесь, ваша голова может неконтролируемо опускаться, а колени могут внезапно подогнуться.

  Некоторые люди с нарколепсией испытывают только один или два эпизода катаплексии в год, в то время как у других наблюдается множество эпизодов ежедневно. Не все с нарколепсией испытывают катаплексию.

• Сонный паралич. Люди с нарколепсией часто испытывают временную неспособность двигаться или говорить во время сна или после пробуждения. Эти эпизоды обычно короткие — длятся несколько секунд или минут — но могут пугать. Вы можете знать об этом состоянии и без труда вспомнить его впоследствии, даже если вы не могли контролировать то, что с вами происходило.

  Этот сонный паралич имитирует тип временного паралича, который обычно возникает во время сна, называемого сном с быстрым движением глаз (REM). Эта временная неподвижность во время быстрого сна может помешать вашему телу отыгрывать активность сна.

  Однако не все страдающие сонным параличом страдают нарколепсией. Многие люди без нарколепсии испытывают эпизоды сонного паралича.

• Изменения во сне с быстрым движением глаз (REM). REM-фаза — это, как правило, период сновидений.У людей с нарколепсией быстрый сон может происходить в любое время дня. Люди с нарколепсией часто быстро переходят в фазу быстрого сна, обычно в течение 15 минут после засыпания.
• Галлюцинации. Эти галлюцинации называются гипнагогическими галлюцинациями, если они случаются, когда вы засыпаете, и гипнопомпическими галлюцинациями, если они возникают при пробуждении. Примером может служить ощущение, что в вашей спальне находится незнакомец. Эти галлюцинации могут быть особенно яркими и пугающими, потому что вы можете не спать полностью, когда начинаете видеть сны и воспринимаете свои сны как реальность.

Другие характеристики

У людей с нарколепсией могут быть другие нарушения сна, например обструктивное апноэ во сне — состояние, при котором дыхание начинается и останавливается в течение ночи, синдром беспокойных ног и даже бессонница.

Некоторые люди с нарколепсией испытывают автоматическое поведение во время коротких эпизодов нарколепсии. Например, вы можете заснуть во время выполнения обычной задачи, например письма, набора текста или вождения, и продолжаете выполнять эту задачу во время сна.Когда вы просыпаетесь, вы не можете вспомнить, что вы сделали, и, вероятно, вы сделали это плохо.

Когда обращаться к врачу

Обратитесь к врачу, если вы испытываете чрезмерную дневную сонливость, которая мешает вашей личной или профессиональной жизни.

Причины

Точная причина нарколепсии неизвестна. Люди с нарколепсией 1 типа имеют низкий уровень химического гипокретина (привет-KREE-тин).Гипокретин является важным нейрохимическим веществом в вашем мозгу, которое помогает регулировать бодрствование и быстрый сон.

Уровни гипокретина особенно низкие у тех, кто страдает катаплексией. Точно неизвестно, что вызывает потерю в мозге клеток, продуцирующих гипокретин, но эксперты подозревают, что это связано с аутоиммунной реакцией.

Также вероятно, что генетика играет роль в развитии нарколепсии. Но риск того, что родители передадут это заболевание ребенку, очень низок — всего около 1%.

Исследования также указывают на возможную связь с вирусом свиного гриппа (h2N1) и определенной формой вакцины против h2N1, которая в настоящее время вводится в Европе, хотя пока не ясно, почему.

Нормальный сон по сравнению с нарколепсией

Нормальный процесс засыпания начинается с фазы, называемой сном с медленными движениями глаз (NREM). На этом этапе ваши мозговые волны значительно замедляются. Примерно через час медленного сна ваша мозговая активность меняется, и начинается быстрый сон.Большинство сновидений происходит во время быстрого сна.

Однако при нарколепсии вы можете внезапно войти в фазу быстрого сна, не испытав сначала фазы быстрого сна, как ночью, так и днем. Некоторые характеристики нарколепсии, такие как катаплексия, сонный паралич и галлюцинации, аналогичны изменениям, которые происходят во время быстрого сна, но происходят во время бодрствования или сонливости.

Факторы риска

Факторы риска нарколепсии известны всего несколько, в том числе:

• Возраст. Нарколепсия обычно начинается у людей в возрасте от 10 до 30 лет.
• Семейный анамнез. Ваш риск нарколепсии в 20-40 раз выше, если у члена вашей семьи есть нарколепсия.

Осложнения

• Непонимание состояния общественностью. Нарколепсия может вызвать серьезные проблемы в профессиональном и личном плане. Другие могут посчитать вас ленивым или вялым. Ваша успеваемость может ухудшиться в школе или на работе.
• Вмешательство в интимные отношения. Сильные чувства, такие как гнев или радость, могут вызывать признаки нарколепсии, такие как катаплексия, заставляя пострадавших людей отказываться от эмоциональных взаимодействий.
• Физические повреждения. Приступы сна могут причинить физический вред людям с нарколепсией. Вы подвергаетесь повышенному риску автомобильной аварии, если у вас случится приступ во время вождения. Риск порезов и ожогов выше, если вы засыпаете во время приготовления пищи.