Co biologia porównawcza mo e wnieść do badań nad

P R A CA P OGLĄ D OWA
ISSN 1641–6007
Sen 2001, Tom 1, Nr 1, 41–50
SEN
Co biologia porównawcza może wnieść
do badań nad snem ludzi?
Contribution of comparative biology to human sleep research
Eugenia Tęgowska
Zakład Fizjologii Zwierząt, Instytut Biologii Ogólnej i Molekularnej Uniwersytetu Mikołaja Kopernika
n Abstract
Comparative biology and human sleep
Despite earlier claiming REM sleep is present also in egg-laying (monotremes) mammals.
REM sleep in these animals characterizes high amplitude, but it is real REM sleep because
the principal features of REM sleep is brainstem activation. In some species of these animals during REM sleep-rapid eye movements and twitching may be absent. During SWS
both in cold — and in warm — exposed marsupials and during REM sleep in cold exposed
animals decrease of thermal reactivity (drop in responsiveness to external thermal stimulation) was not observed. Therefore, it may be suggested, that sleep is not accompanied by
general a simply deafferentation but it is dependent on biology of animals. Additionally,
marsupials which during development in the pouch breathe as little as 14% 02 and as much
as 5% C02 during maturity show mechanism for stabilization of sleep under hypoxic and
hypercapnic conditions. In eutherian mammals depending on their biology during SWS
and even during wakefulness physiological (not patological) bouts of atonia and apnea
may be observed. The existence of unihemispheric sleep in aquatic mammals and birds
suggests that sleep is vital to survival. This indicates also that the brain rather than the body
is the functional target of sleep.
Adres do korespondencji:
Eugenia Tęgowska
Zakład Fizjologii Zwierząt
Uniwersytetu Mikołaja Kopernika
ul. Gagarina 9
87–100 Toruń
tel.: (0 56) 611 44 51
faks: (056) 611 47 72
I would like suggest that polygraphic sleep recordings in conjoined twin neonates indicate
that sleep factor that accumulates in one twin does not induce sleep in the second twin then
continuity of brain substance or circulation is absent. Adenosine may be the sleep factor
and its interactions with C02 might promote evolutional transition from sleep to torpor or
hibernation.
Key words: comparative biology, sleep origin, sleep structure
n Konieczność snu
Sen jest życiowo niezbędny dla wszystkich ssaków.
Świadczą o tym: powszechność jego występowania wśród
wszystkich grup systematycznych zwierząt [1], obserwacje patologicznych zmian w psychice osób poddanych
wymuszonej bezsenności. W przypadku gdy środowisko
życia uniemożliwia sen w najpowszechniej spotykanej
formie, na przykład życie w wodzie ssaka oddychającego powietrzem lub podczas długotrwałych, sezonowych
migracji ptaków, to występuje taka modyfikacja pracy
mózgu, która umożliwia spanie przynajmniej raz jedną,
raz drugą półkulą [2, 3]. Tak zasadnicze zmiany w pracy
mózgu wyraźnie ukierunkowane na umożliwienie zaśnięcia — nawet kosztem znacznego przeorganizowania pracy mózgu — świadczą niezbicie, że sen pełni funkcje
życiowo ważne. Nie jest więc zaskoczeniem, że długotrwała wymuszona bezsenność doprowadza do śmierci
zwierzęcia [4]. Teorii dotyczących przyczyn snu było
wiele, jednak wszyscy badacze podkreślali jego ważną
rolę w procesie regeneracji. Najczęściej jako przyczynę
www.sen.viamedica.pl
41
SEN
2001, Tom 1, Nr 1
snu człowieka wymienia się konieczność stworzenia odpowiednich warunków do regeneracji mózgu, bo choć
podczas snu metabolizm całego ciała obniża się od 10%
nawet do 30% (a wydawałoby się, że podczas procesów
odnowy metabolizm powinien być szybszy), to jednak,
jak wskazują Adam i Oswald [5], zjawisko regeneracji jest
w tych warunkach energetycznie możliwe. Wykazano bowiem, że podczas snu NREM zwiększa się synteza białek
i mitoza komórkowa. Dodatkowo, jak stwierdzono w trakcie badań procesu wzrostu noworodków, ta faza snu powoduje zaledwie 2–3-procentowy wzrost tempa metabolizmu, a koszty biosyntezy makromolekuł stanowią mniej
niż 10% budżetu dobowego. Porkka-Heiskanen T. [6]
stwierdził, że podczas snu dochodzi do akumulacji wewnątrzkomórkowego ATP. Zatem podczas snu (a także
przy tak bardzo ograniczonym tempie metabolizmu, jakie występuje podczas estywacji, to znaczy snu letniego, a nawet podczas hibernacji) procesy regeneracyjne
— z energetycznego punktu widzenia — są przynajmniej
częściowo możliwe. Zwłaszcza że, jak wykazano [7],
również podczas hibernacji dochodzi do akumulacji adenozynotrifosforanu (ATP), co nie jest prostym wynikiem
obniżenia temperatury ciała (mniejszym podczas snu,
większym podczas hibernacji) i zmniejszenia zużycia
ATP (np. na skutek zmniejszenia wydatków na aktywność), bowiem w hipotermii (gdzie również występuje
obniżenie temperatury ciała i poziomu aktywności) stężenie ATP się obniża [8].
Regeneracyjna funkcja snu u pozostałych ssaków
(poza człowiekiem) niewątpliwie też jest ważna, choć,
biorąc pod uwagę olbrzymie różnice w długości snu (patrz
niżej), nie dla wszystkich grup systematycznych ma ona
takie samo znaczenie. U ssaków o niewielkich rozmiarach ciała (mysz, szczur) sen niewątpliwie pozwala zaoszczędzić na wydatkach energetycznych związanych
z aktywnym trybem życia. Ta energooszczędna rola snu
jest szczególnie ważna w tej porze doby, gdy trudno uzupełnić zasoby energetyczne. Innym sposobem na dodatni bilans energetyczny mogłoby być stałe uzupełnianie
zasobów energetycznych. Dawniej sądzono, że takim
„nieśpiącym”, lecz stale odżywiającym się zwierzęciem
jest ryjówka. Jednak stanowi ona kolejny przykład skrajnego przystosowania modelu snu do biologii gatunku.
Sen ryjówki jest wyjątkowo wieloepizodowy — do 20
króciutkich epizodów na dobę, przedzielonych aktywnością [9]. Ta modyfikacja stanowi kolejny dowód na
dalece zakodowaną potrzebę snu w biologii istot żywych
i nie ma wyjątku od reguły: Sen jest tak potrzebny jak
woda, pokarm czy powietrze. Innym dowodem na to były
doświadczenia, w których próbowano wykazać, że przynajmniej u małych ssaków można stałym dostarczaniem
energii wyeliminować potrzebę snu. Szczury ginęły jednak podczas wymuszonej bezsenności, mimo że miały
zapewnione obfite jedzenie. Świadczy to niezbicie, że
42
nawet u ssaków o niewielkich rozmiarach ciała (a więc
tych, u których oszczędność energetyczna jest z pewnością niezwykle ważna), sen musi pełnić inne życiowo
ważne funkcje, na przykład regeneracyjne.
Również funkcja snu REM nie jest jednolita i dla poszczególnych gatunków może mieć inne znaczenie (np.
odmienna rola REM dla konsolidacji pamięci u człowieka i u myszy). Vertes [10] przytacza dziewięć głównych
— mniej lub bardziej uzasadnionych (czasami wykluczających się) — teorii dotyczących funkcji snu REM: 1) konieczność podtrzymywania podczas snu (rozumianego
jako okres głębokiej inaktywacji) procesów życiowych;
2) potrzeba dojrzewania komórek; 3) potrzeba rozpraszania energii; 4) potrzeba rozwoju kontroli wzrokowo-motorycznej; 5) potrzeba regeneracji stężenia amin katecholowych; 6) konieczność konsolidacji pamięci; 7) konieczność aktywnego zapominania; 8) konieczność okresowego pobudzania mózgu nietolerującego dłuższej
nieaktywności; 9) sen REM jako czynnik ograniczający potencjalne zagrożenia ze strony środowiska, które narastałyby wraz z wydłużeniem się okresu nieprzerywanego, głębokiego snu — a więc i stałej, głębokiej deaferentacji.
Rozważając rolę jakiejkolwiek funkcji organizmu,
warto jednak pamiętać, że ta sama funkcja fizjologiczna
może bardzo różnie wyglądać w różnych grupach systematycznych (np. rozmnażanie pantofelka w porównaniu
z rozmnażaniem ssaków), a nawet w obrębie tej samej
grupy (różnice w rozmnażaniu się stekowców, torbaczy
czy łożyskowców). Właściwie dopiero takie porównanie
pozwala stwierdzić, że istota rozmnażania polega na propagacji własnego materiału genetycznego, a reszta to modyfikacja związana z biologią gatunku. Dlatego też rola
dobrze przeprowadzonych i przemyślanych badań porównawczych jest trudna do przecenienia. Mogą one wyjaśnić, która z funkcji obserwowanego zjawiska jest pierwotna, a która wtórna.
n Struktura i podłoże snu
W zapisie EEG snu wszystkich ssaków można wyróżnić dwa zasadnicze stadia: sen wolnofalowy — bez szybkich ruchów gałek ocznych (sen NREM) i sen z szybkimi
ruchami gałek ocznych (sen REM). Reprezentują one dwa
zasadniczo różne stany fizjologiczne.
Jak zauważa Dijk [11], zapis polisomnograficzny odzwierciedla podczas NREM zmniejszenie aktywności,
a podczas REM zwiększenie aktywności pracy neuronów.
Przejście ze snu NREM w sen REM i związane z tym zmiany wzorca EEG wynikają z interakcji cholinergicznych i serotoninergicznych jąder pnia mózgu, choć też uwidacznia się tutaj wpływ przodomózgowia. Wszystkie struktury zaangażowane w ten proces mają połączenie z jądrem
nadskrzyżowaniowym (SCN, nucleus suprachiasmaticus),
a ponieważ to właśnie jądro, poprzez włókna nerwowe
podwzgórzowo-siatkówkowe, otrzymuje informacje o zmia-
www.sen.viamedica.pl
Eugenia Tęgowska, Biologia porównawcza w badaniach snu
nach natężenia światła, możliwa jest synchronizacja działalności organizmu z cyklem noc/dzień i z sezonami.
Dwie fazy snu łącznie — NREM i REM — tworzą tak
zwany cykl snu, który trwa około 90 minut. W ciągu nocy
takie cykle powtarzają się 4–6 razy.
Zapis niskonapięciowy podczas czuwania (i podczas
snu REM) zależy od impulsów aktywujących wzgórze i korę z jąder mostu i jądra podstawowego przodomózgowia.
W obecności tych aktywujących impulsów stymulacja
czuciowa może być przekazywana z jądra wzgórza do kory.
Gdy impulsy aktywujące słabną, EEG staje się zsynchronizowane, wysoko amplitudowe, o niskiej częstotliwości,
następuje więc przejście z czuwania w sen NREM. Potencjał błonowy neuronów wzgórza i kory staje się zhiperpolaryzowany. Częściowo powoduje to postsynaptyczy potencjał hamujący z jądra tworu siatkowatego wzgórza, które
odgrywa kluczową rolę w genezie wrzecion snu (oscylacje 11–14 Hz). Potencjały wywołane wykazują, że wrzeciona są głównym czynnikiem hamującym, który wydatnie blokuje przenoszenie czuciowej informacji do kory
mózgowej. Fale wolne, występujące w 4. stadium snu
NREM nie są wytwarzane aktywnie, lecz raczej zależą od
wewnętrznej oscylacyjnej właściwości neuronów, o częstotliwości zależnej od poziomu hiperpolaryzacji błon
neuronów. Te oscylacje są szeroko rozpowszechnione
i zsynchronizowane w regionach kory i wzgórza.
W zależności od gatunku ssaka, którego sen zostaje poddany badaniu, można wyróżnić 2–4 stadiów snu NREM.
Miewają one bardzo rozmaity — zależny od biologii życia
— wzorzec [1]. U człowieka wyróżnia się 4 stadia. Pierwsze charakteryzuje się niską amplitudą i częstotliwością
fal 2–7 Hz, w drugim pojawiają się kompleksy K (izolowane fale wolne) i wrzeciona senne (serie fal o częstotliwościach 10–14 Hz i amplitudzie 50 mV). W stadium trzecim częstotliwość fal jest znacznie mniejsza (fale delta:
0,1–4 Hz i theta: 4–7Hz), a amplituda — większa, natomiast w stadium czwartym występują fale o największej
amplitudzie, a ilość fal delta przekracza 50%. Zwykle
stadia te wypełniają następujący odsetek czasu snu człowieka dorosłego: stadium 1. NREM — 5%, stadium 2.
NREM — 60%, stadia 3. i 4. NREM — 15%, a stadium
REM — około 20%.
Podczas przejścia ze snu NREM do REM impulsy aktywujące tworu siatkowatego tłumią fale wolne i wrzeciona. Występujące podczas REM szybkie (40 Hz) oscylacje wiążą się z występowaniem marzeń sennych. W odróżnieniu od wielu modyfikacji snu NREM, obserwowanego u ssaków z różnych grup systematycznych, zapis
EEG podczas snu REM wygląda podobnie u wszystkich
ssaków (wyjątek stanowią stekowce: dziobak, a zwłaszcza kolczatka — patrz niżej). Sen REM charakteryzuje
się desynchronizacją korowego zapisu EEG. Obserwuje
się wówczas zapis szybkiej aktywności neuronalnej połączonej z niskim napięciem. Towarzyszy temu podwyż-
SEN
szony próg dla obudzenia (ale niższy niż w stadium 4.
snu NREM), rytm theta w hipokampie, duże fazowe potencjały (grupy 3–5 fal), które mają początek w moście
i przechodzą do ciałek kolankowatych bocznych, a stamtąd do kory potylicznej (iglice PGO), znaczna atonia mięśni posturalnych (wynikająca ze wzrostu aktywności części hamującej tworu siatkowatego rdzenia przedłużonego), szybkie ruchy gałek ocznych (w ich powstawaniu
pośredniczą jądra przedsionkowe), szarpnięcia mięśniowe, zmiany w torze oddechowym i szybkości akcji serca.
Trudno znaleźć dziedzinę fizjologii, na której działanie rytmika okołodobowa snu i czuwania nie wywarłaby
swego piętna. Śledząc tematykę badań — jej historyczny
rozwój — wyraźnie widać, że w dawniejszych badaniach
dominował nurt porównawczy, na przykład porównywano sen zwierząt z różnych grup systematycznych lub tej
samej grupy systematycznej, o różnym środowisku życia
lub różnej masie ciała. Na podstawie tych badań poszukiwano korelacji długości snu z długością życia, szybkością metabolizmu, zagrożeniem ze strony drapieżcy, czy
też ze zmianami w temperaturze otoczenia. Niektóre
z tych badań, choć bardzo proste (np. zwykłe elektroencefalograficzne porównanie snu szczurów chowu wsobnego), dały jednak ciekawe wyniki dotyczące dziedziczenia wzorca zapisu snu. Badania przeprowadzone na
2 szczepach szczurów [12], różniących się znacznie pod
względem długości snu REM, i ich mieszańcach w drugim pokoleniu wykazały, że procentową ilość REM i amplitudę zapisu REM dziedziczy się rozdzielnie, to znaczy szczurzątka-mieszańce miały ilość REM pośrednią
w stosunku do rodziców. Nie było jednak różnic pomiędzy rodzicami i dziećmi w ilości epizodów REM. Można
więc stwierdzić, że nie wszystkie parametry REM wiążą
się ze sobą w genach. Wykazano zatem dziedziczenie wielogenowe — przynajmniej niektórych cech snu. Genetyczne uwarunkowania długości snu sugerowano także
u ludzi, badając (kwestionariuszowo) sen bliźniąt jednojajowych i różnojajowych [13].
Wiele prowadzonych obecnie badań nastawionych
jest na wykorzystanie ich wyników w praktyce, na przykład rozważa się różne aspekty snu związane z pracą
zmianową, zmianami stref czasowych, a nawet z lotami
kosmicznymi. Szuka się też, na poziomie biologii molekularnej lub modeli matematycznych, podłoża wpływu
różnych czynników na sen. Jest to oczywiste i z punktu
widzenia potrzeb człowieka w pełni zrozumiałe. Niektóre jednak badania ze starszego, porównawczego nurtu,
obecnie wykonywane inną techniką i oparte na wzbogaconej bazie wiadomości ogólnych, mogą jednak zaowocować bardzo cennymi wynikami (np. pozwalają stwierdzić, co jest najbardziej podstawowym zjawiskiem spośród całego zespołu faktów obserwowanych podczas snu
REM). W niniejszej pracy poruszono tylko niektóre powiązania snu z ekologią gatunku (bezdech śródsenny),
www.sen.viamedica.pl
43
SEN
2001, Tom 1, Nr 1
pozycją filogenetyczną (czy istnieje REM u „prymitywnych” ssaków) i rolą temperatury ciała w modyfikacji
zapisu EEG. Zwłaszcza ten ostatni problem nabiera dziś
nowego znaczenia, kiedy uznaje się, że okołodobowe
zmiany temperatury skóry i wnętrza ciała mogą modulować stan neuronalnej aktywności lub też stan gotowości
do snu, w strukturach mózgu związanych ze snem i czuwaniem. Jest to o tyle ciekawe, że wzrost temperatury
mózgu łączy się z zapisem EEG charakterystycznym dla
snu w jednych strukturach (podwzgórze, podstawa przodomózgowia), podczas gdy w innych strukturach (układ
siatkowaty, wzgórze) występuje zapis charakteryzujący
czuwanie.
Udowodniono, że latencja początku snu koreluje z ilością rozpraszanego ciepła przed snem. Na poziomie komórkowym istnieje natomiast zależność między wrażliwością neuronów na ciepło a spontaniczną czynnością
neuronalną, występującą tuż przed snem i podczas snu.
Nie jest to przypadkowe, ponieważ szczury z uszkodzonym rejonem przedwzrokowym podwzgórza, mające z tego powodu zaburzony sen, umieszczone w cieple wykazują normalizację snu. Obserwacje te mogą mieć poważne skutki praktyczne, bowiem manipulacje temperaturą
ciała mogą zmniejszać lub zwiększać poziom senności
o różnych porach doby (problem pracy zmianowej) lub
poprawiać sen u starszych osób [14].
n Filogeneza snu ssaków
Ewolucyjne zależności „sen-stałocieplność”, chociaż
były rozważane od dawna, nabrały ogromnego znaczenia dopiero po ukazaniu się bardzo sugestywnie napisanej pracy Allisona i Van Twyvera [15]. Opracowanie to
zawiera poglądy dobrze osadzone w ówczesnych realiach
aparaturowych i ówczesnej wiedzy i niestety do dziś
wpływa na poglądy wielu badaczy snu. Allison i Van
Twyver zasugerowali bowiem 30 lat temu, że sen występuje tylko u endotermicznych ptaków i ssaków, ponieważ sen i stałocieplność pojawiły się jako efekt tego samego procesu ewolucyjnego. Stwierdzili oni, że zdolność
do snu odróżnia ssaki i ptaki od zwierząt z niższych grup
systematycznych. Uznali zatem, że sen wolnofalowy pojawił się w czasie ewolucji zanim stekowce oddzieliły
się ze wspólnego pnia ewolucyjnego, a sen REM znacznie później — tuż przed oddzieleniem się torbaczy i łożyskowców. Pogląd ten autorzy ustalili, dysponując ówcześnie aparaturą, która umożliwiała wykazanie obecności
snu NREM, a nie można było stwierdzić niskoamplitudowego snu REM u dziobaka i kolczatki. Stwierdzili więc,
iż sen REM wyewoluował później, a sen wolnofalowy
wcześniej, by chronić powstałą endotermię (energooszczędna rola snu). Autorzy uważali zatem, że sen nie występuje u zwierząt zmiennocieplnych. Zakładana w tej
teorii kolejność pojawiania się snu REM w filogenezie
nie zgadzała się z tym, co wiadomo o ontogenezie snu,
44
jeśli jednak za najważniejszą cechę snu REM uznaje się
niskoamplitudowy zapis EEG, to wniosek przedstawiony
w tej pracy wydawał się umotywowany doświadczalnie.
Współcześnie żyjące ssaki dzieli się za Kowalskim [16]
na trzy zasadnicze klasy taksonomiczne: podgromadę prassaków (Prototheria), gdzie występuje rząd stekowców
(Monotremata) z rodzinami: dziobaki i kolczatki, podgromadę ssaków niższych (Metateria) z jedynym rzędem
torbaczy i najliczniejszą obecnie podgromadę ssaków
łożyskowych (Placentalia) z licznymi rzędami, z naczelnymi (Primates) włącznie. Podział ten dobrze odzwierciedla zróżnicowanie cech morfologiczno-fizjologicznych
pomiędzy przedstawicielami tych rzędów. Różnice te
zależą od momentu oddzielenia się od wspólnego pnia
ewolucyjnego, w obrębie linii rozwojowej. Najwcześniej,
bo około 150 milionów lat temu (mezozoik), oddzieliły
się stekowce, które wśród wielu innych cech (z systematycznego punku widzenia ważniejszych) charakteryzują
się stosunkowo niską temperaturą ciała — ta cecha jest
jednak istotna dla wzorca zapisu EEG. Z linii stekowców
wydzieliły się w drodze ewolucji tylko 2 rodzaje kolczatek i dziobak, natomiast z linii łożyskowców i torbaczy
aż 4000 gatunków ssaków.
n Sen stekowców
Kolczatkowate prowadzą życie naziemne, są zwierzętami owadożernymi o nocnej aktywności. W dzień kolczatki zwijają się w kłębek w norach, spróchniałych
pniach lub szczelinach skalnych, są więc stosunkowo
słabo chronione przed drapieżnikami.
Dziobak to ssak ziemnowodny, jego pokarmem są stawonogi i mięczaki, poluje wyłącznie w wodzie. Śpi w bezpiecznych norach wykopanych nad brzegami rzek (dojście do nich znajduje się pod wodą), występuje u nich
torpor, a nawet hibernacja [17].
Stekowce charakteryzują się niską temperaturą ciała
(dziobak ma ok. 320C, a kolczatka ok. 310C), którą trudno
jednak uznać za cechę prymitywną, bowiem dziobak
potrafi tę niską temperaturę ciała utrzymywać zarówno
w powietrzu o temperaturze 5–300C, jak i w chłodnej (poniżej 150C) wodzie. Dla porównania „doskonalszy”, bo
należący do łożyskowców — piżmoszczur amerykański
(podobna masa ciała jak u dziobaka) wysoką temperaturę ciała (370C) utrzymuje wprawdzie w powietrzu nawet
o temperaturze –100C, ale za to nie jest zdolny do homeotermii, gdy temperatura wody staje się niższa niż 250C.
Paradoksalnie więc ten „doskonalszy” gatunek szybciej
utraci zdolność do homeotermii niż ten „prymitywny”.
Wyraźnie widać, że niska temperatura ciała stekowców
to nie wyraz prymitywności, lecz przystosowania [18]
do warunków życia (im mniejsza różnica pomiędzy temperaturą ciała a środowiska, tym mniej strat ciepła).
Na model zapisu EEG u tych zwierząt mogą wpływać: 1) budowa mózgu, czyli: a) brak ciała modzelowa-
www.sen.viamedica.pl
Eugenia Tęgowska, Biologia porównawcza w badaniach snu
tego, które łączyłoby półkule; b) cienka warstwa kory
(mózg jest gładki u dziobaka i słabo pofałdowany u kolczatki); 2) przystosowanie dziobaka do nurkowania (długie bezdechy) i 3) niska temperatura ciała. Właśnie biorąc pod uwagę te specyficzności biologii stekowców,
przebadano ponownie ich sen i 2 lata temu wykazano
obecność snu REM u dziobaka [19]. Ponadto okazało
się, że występuje on w ilościach niespotykanych u innych ssaków wyższych — trwa do 8 godzin na dobę, co
stanowi blisko połowę całego okresu snu tego zwierzęcia. Sen REM przebiega z typowymi szybkimi ruchami
gałek ocznych, atonią i gwałtownymi ruchami ciała, jednak zapis EEG charakteryzuje się umiarkowanym lub
wysokim woltażem, odmiennie niż u ssaków łożyskowych. Fakty te sugerują, że sen REM w formie wysoko
woltażowej występował już co najmniej u gadów, a niski woltaż, obserwowany u ssaków, jest nowszym „osiągnięciem” ewolucyjnym. Zatem wysokość amplitudy
EEG nie jest cechą niezmiennie związaną ze snem REM
i nie należy zbyt pochopnie wiązać poziomu temperatury ciała ze wzorcem EEG.
Jeszcze bardziej skomplikowana jest analiza snu kolczatki. Według pionierskich [17], ale bardzo wszechstronnych prac badawczych dotyczących snu kolczatki (pełna poligrafia, analiza widma mocy, pomiary temperatury ciała, progu obudzenia, analizy 4 rodzajów potencjałów wywołanych oraz porównań tych parametrów w obu
półkulach) i snu kota, stwierdzono, że kolczatka nie wykazuje snu REM. Trzeba było blisko 30 lat, by te poglądy
zweryfikować. Obecnie wiadomo, że u kolczatki [20] nie
występuje wprawdzie sen z szybkimi ruchami gałek
ocznych i gwałtowne szarpnięcia przez sen podczas wysoko woltażowego snu, jednakże co pewien czas jednostki
tworu siatkowatego wykazują potencjały w nieregularnych seriach wybuchów, przedzielonych przerwami,
zgodne ze wzorcem typowym dla snu REM. Sugeruje się
więc obecnie, że choć u stekowców nie występuje sen
z niską amplitudą w zapisie EEG nie obserwuje się też
ruchów gałek ocznych czy szarpnięć przez sen — a więc
zjawisk typowych dla snu REM łożyskowców i torbaczy
— to jednak występuje u nich, co pewien czas, taka śródsenna aktywacja pnia mózgowego, która jest cechą typową dla snu REM. Te najnowsze dowody doświadczalne wskazują więc, że przynajmniej początkowo główną
rolą snu REM było podtrzymywanie procesów życiowych
podczas snu (okres inaktywacji). Teorię tą potwierdziły
obserwowane w ontogenezie zjawiska: 1) im młodsze stadium rozwojowe, tym więcej REM; 2) im więcej snu
w ogóle, tym także więcej snu REM [10]. Natomiast na
brak ruchów ciała podczas snu REM u stekowców mogła
wpłynąć inna cecha biologii gatunku. Nie są to zwierzęta stadne i nie wystawiają podczas snu stróżujących osobników, a że są stosunkowo bezbronne, więc całkowity bezruch podczas snu nie zwabia drapieżcy do tego ssaka, prze-
SEN
sypiającego połowę życia i to na dodatek w miejscach stosunkowo mało osłoniętych przed drapieżnikami.
n Sen torbaczy
Torbacze to bardziej zróżnicowana grupa taksonomiczna niż stekowce. Przedstawiciele poszczególnych
gatunków odżywiają się: owadami (mrówkożer), roślinami (wombat, koala), stosują dietę mieszaną (diabeł tasmański) lub są drapieżnikami (część dydelfowatych).
Charakteryzują się aktywnością zarówno dzienną (mrówkożery), jak i nocną (dydelf, większość kangurowatych),
ich gniazda znajdują się na drzewach (koala), na ziemi
(kangurowate) i pod ziemią (kret workowaty). Torbacze
oddzieliły się od wspólnego pnia rozwojowego co najmniej w okresie górnej kredy i wykazują wiele cech odrębnych w stosunku do pozostałych ssaków, które mogą
wpływać na formę zapisu EEG, na przykład budowa ich
mózgu, który jest niewielki, a półkule mózgowe gładkie
lub słabo pofałdowane nie przykrywają całego móżdżku. Zwykle nie występuje ciało modzelowate. Temperatura ciała jest wyższa niż u stekowców, ale niższa niż
u łożyskowców — zwykle około 34–360C. Nawet jednak
sposób rozmnażania może wywrzeć piętno na pracę
mózgu, jak to wykazano w przypadku dydelfowatych, młode w torbie oddychają powietrzem zawierającym 8–20 razy
więcej dwutlenku węgla 50–70% i mniej tlenu niż znajduje się w atmosferze naturalnej. Sugeruje się, że takie
warunki rozwojowe odpowiadają za odmienność reakcji
w porównaniu z większością badanych ssaków (wyjątek
to hibernatorzy — patrz niżej). Właśnie u torbaczy (u dorosłego szczura kangurowatego) wykazano wydłużenie
czasu snu przy ekspozycji na hipoksję, podczas gdy zwykle w takich warunkach sen ulega skróceniu [21]. Opinię, że przyczyną tego zjawiska jest przystosowanie do
fizjologicznie występującej hipoksji, potwierdzają wyniki badań [22], w których wykazano brak ograniczenia snu
pod wpływem 13% hipoksji i 6% hiperkapnii u zwierzęcia z innej grupy taksonomicznej (łożyskowca) — słonia
morskiego północnego Miroungra angustirostris (rodzina fok). Zarówno szczur kangurowaty, jak i słoń morski to
gatunki, które w trakcie swego życia spotykają się z warunkami ograniczającymi wymianę gazową, a więc reakcję snu na hipoksję czy hiperkapnię warunkuje środowisko życia, a nie przynależność systematyczna.
U torbaczy (odmiennie niż u większości łożyskowców) podczas snu REM nie występuje zwolnienie częstości oddechu i akcji serca, natomiast (podobnie jak u łożyskowców) parametry te podczas REM stają się bardzo
nieregularne, a okresy bezdechu przekraczają 30 sekund.
Reakcja na brak zwolnienia częstości oddechu i akcji serca
może się również wiązać z fizjologicznym narażeniem
na hiperkapnię (tak jak u ssaków morskich).
Wiele zwierząt tej grupy taksonomicznej to gatunki
charakteryzujące się wyjątkowo długim okresem snu.
www.sen.viamedica.pl
45
SEN
2001, Tom 1, Nr 1
U australijskiego torbacza nadrzewnego pałanki (Trichosurus vulpecula) snem zajmował około 14 godzin na dobę.
Dydelf północny (Didelphis marsupialis), należący do najstarszej rodziny ssaków, śpi około 17 godzin na dobę
(temp. ciała — ok. 35,50C z wyraźnymi różnicami okołodobowymi wynoszącymi 35–370C) [23]. Inny gatunek Lutreolina crassicaudata śpi nawet 19 godzin.
W badaniach tych zwierząt nie ma problemów z rozróżnianiem faz snu. Podczas snu NREM u torbaczy zwykle wyróżnia się dwie fazy (wrzecion i fal delta), ale niekiedy fale delta i wrzeciona przeplatają się ze sobą tak,
że nie wyróżnia się tych faz, a sen SWS traktuje się jako
kontinuum. Podczas snu REM zapis EEG jest podobny
do tego, który występuje na przykład u człowieka. Obserwuje się również zjawiska ruchu gałek ocznych (wolniejsze i rzadsze niż u łożyskowców; czasami oczy podczas snu pozostają nawet otwarte, co u tych zwierząt nie
jest patologią), drgania mięśniowe czy nagłe drgnięcia
przez sen występują w pełnej formie. W niektórych przypadkach zjawiska te stanowią kryterium różnicujące stadia snu, które można w związku z tym wyróżniać nie na
podstawie zapisu EEG, lecz obserwacji zachowania się
zwierzęcia [24]. Zanik napięcia mięśniowego nie jest natomiast dobrym kryterium odróżniającym sen NREM od
REM, bowiem u niektórych gatunków (w odróżnieniu od
tego, co obserwuje się u człowieka) pełen zanik napięcia
mięśniowego występuje jeszcze w trakcie SWS [25].
Sen REM obserwowano u wszystkich badanych gatunków torbaczy i to pomimo dużych wahań temperatury ciała (występował on nawet wówczas, gdy temp. ciała
zwierzęcia stabilizowała się na poziomie 320C). Dodatkowo odmiennie niż u łożyskowców pracuje u torbaczy
układ termoregulacyjny podczas snu. U łożyskowców
podczas snu wolnofalowego zmniejsza się czułość tego
układu, a sen REM jeszcze pogłębia to zjawisko. Natomiast u torbaczy reakcja na zmiany temperatury jest zróżnicowana w zależności od kierunku zmian i od stadium
snu. Reakcje termoregulacyjne podczas SWS nie zmniejszają się w porównaniu z czuwaniem zarówno podczas
wzrostu temperatury otoczenia, jak i jej obniżenia. W trakcie snu REM zmniejszenie czułości reakcji na wzrost temperatury jest minimalne, natomiast reakcje te są mocno
ograniczone w trakcie obniżania się temperatury otoczenia [24]. Być może jest to sposób przystosowania do długiego okresu snu, w trakcie którego zwierzę o ograniczonej reaktywności na wzrost temperatury otoczenia byłoby narażone na przegrzanie. Natomiast hipotermia może
nie stanowić zagrożenia życia zarówno ze względu na
klimat (zasięgi tylko nielicznych gatunków sięgają 45
stopnia szerokości geograficznej), jak i z uwagi na zdolność do zapadania w torpor, którą posiada część z nich
[26]. Ta odmienność reaktywności układu termoregulacyjnego śpiących torbaczy w porównaniu z łożyskowcami wyraźnie sugeruje, że sen nie jest prostym stłumie-
46
niem pracy mózgu (powszechną deaferentacją), lecz
wybiórczym zmniejszaniem się reaktywności, zależnie
od biologii gatunku.
n Sen łożyskowców
Łożyskowce to najbardziej zróżnicowana grupa pod
względem wszystkich rozważanych cech, mogących
wpływać na model snu: różnią się porą aktywności, rodzajem odżywiania oraz niszami ekologicznymi (woda,
powierzchnia ziemi, głębokie nory, a nawet powietrze).
Śpią zarówno w dobrze zabezpieczonych miejscach, jak
i w miejscach zupełnie odsłoniętych, a temperatura ich
ciała może wykazywać duże różnice (jeśli wziąć pod
uwagę także torpor okołodobowy i hibernację) lub może
być w okresie eutermii dobrze ustabilizowana i na znacznie wyższym poziomie niż w poprzednio omawianych
grupach systematycznych.
Łożyskowce są grupą systematyczną, której przedstawicieli poddano największej liczbie badań związanych
ze snem. W trakcie tych badań stwierdzono, że u ssaków
łożyskowych długość snu wykazuje ujemną korelację
z masą ciała i wielkością mózgu, a także z długością trwania ciąży. Trzeba zauważyć, że w każdym z tych przypadków na długość snu wpływa stopień bezpieczeństwa,
jaki zapewnia zwierzęciu jego nisza ekologiczna [27].
Wśród łożyskowców spotyka się więc zwierzęta śpiące
tak długo jak nietoperz lub tak krótko jak krowa; mające
tylko jeden długi okres spoczynku, jak człowiek lub 20
króciutkich epizodów snu podczas całej doby, jak ryjówka [9]. Celem tej pracy nie jest przedstawienie różnych
modyfikacji snu ssaków, omówiono tylko kilka przypadków umożliwiających rozważenie, czy istnieje tak zwana substancja snu oraz możliwość porównania zjawisk
fizjologicznych dla snu danego gatunku ssaka z patologicznymi, gdy wystąpią one u człowieka. Do zjawisk takich należą: bezdech nocny, brak symetrii w pracy półkul mózgowych lub też spadek napięcia mięśniowego zanim pojawi się sen REM. Ten ostatni przypadek zaobserwowano na przykład podczas badań snu leniwca [28].
Leniwce są najbardziej aktywne wieczorem i nocą
(szybkość lokomocji 0,25–0,35 km/h), choć ogólnie należą
do ssaków o największej ilości snu w ciągu doby, bowiem
jak wykazano śpią około 20 godzin na dobę. Z ewolucyjnego punktu widzenia nie są to zwierzęta prymitywne,
lecz o wysokim poziomie specjalizacji. Podczas fazy aktywnej rejestruje się trzy rodzaje behawioru z dwoma modelami zapisu poligraficznego: 1) „czuwanie eksploracyjne” — gdy zwierzę rusza głową i grzbietem, często mruga oczami i węszy; 2) „czujne czuwanie” — gdy głowa
jest podniesiona i oczy otwarte, a czasami zwierzę mruga oraz 3) „czuwanie nieruchome” z głową podniesioną
i oczami otwartymi, lecz nieruchomymi. W obrębie
pierwszych dwóch form zachowania może występować
zarówno zapis EEG o stosunkowo wysokiej amplitudzie
www.sen.viamedica.pl
Eugenia Tęgowska, Biologia porównawcza w badaniach snu
(zniekształcony poprzez wpływ mięśni żucia), z wysokim tonusem mięśni karku, lub też okresy charakteryzujące się zapisem niskonapięciowym, zawierającym liczne epizody fal o wyższej amplitudzie i częstotliwości 35
Hz, z towarzyszącym im znacznym zmniejszeniem napięcia mięśni karku. Natomiast w czasie „czuwania nieruchomego” w EEG dominuje niska amplituda fal o częstotliwości fal beta, w połączeniu z falami o zakresie fal
alfa (ok. 40% zapisu); aktywność mięśni karku nadal się
zmniejsza, aż do linii izoelektrycznej, mimo że ciągle tę
formę behawioru określa się jako czuwanie. Po zapadnięciu w sen zwierzę siedzi z jedną lub obiema parami
kończyn wokoło pionowego konara, z głową opuszczoną
na piersi i zamkniętymi oczyma. W pierwszym stadium
snu występuje mieszana aktywność fal alfa i theta, lecz
około 20% zajmują fale delta. EMG chwilami stanowi linię izoelektryczną. W drugim stadium snu nadal utrzymuje się około 20% fal o częstotliwości alfa, miejscami
o wysokiej amplitudzie i z falami ostrymi. W stadium
trzecim (snu głębokiego) widać wzrost amplitudy EEG
o licznej aktywności theta i delta — te ostatnie stopniowo zajmują do 50% zapisu. Nadal występują wrzeciona
snu i fale ostre. EMG jest już ciągle izoelektryczne. W stadium czwartym (najgłębszy sen) ponad 50% zapisu zajmują fale delta, nie ma wrzecion snu i fal ostrych. Sen
REM charakteryzuje się zapisem o niskiej amplitudzie
i dużej szybkości, występują szybkie ruchy gałek
ocznych, które zarówno w tym, jak również w innych
stadiach snu (gdy w nich występują) zawsze wiążą się ze
wzrostem amplitudy w EEG. EMG jest izoelektryczne —
choć w tym przypadku, jak widać, nie jest to żadne kryterium diagnostyczne dla snu REM, skoro napięcie mięśni karku zanikało już podczas czuwania. Odstępstwa
obrazu EEG u leniwca od tego, co można zauważyć u innych ssaków autorzy wiążą z niską, bo wynoszącą zaledwie 320C, temperaturą jego ciała [28]. Byłoby to prawdopodobne, bowiem także u stekowców o podobnie niskiej
temperaturze ciała występowały anomalie w zapisie EEG.
Stadia snu SWS o podobnie nietypowym zapisie obserwowano jednak i u zwierząt o znacznie wyższej temperaturze ciała, na przykład u konia, który 8% czasu snu
spędza w stadium pośrednim pomiędzy czuwaniem
a snem. Widać to zarówno podczas badania snu metodami elektroencefalograficznymi, jak i behawioralnymi [29].
Fakt ten, jak i mała ilość snu REM (3–5%), który przesypia w pozycji leżącej (80% całkowitego czasu snu koń
stoi), wiąże się z brakiem poczucia bezpieczeństwa, jakie towarzyszyło epizodom snu, zanim to zwierzę udomowiono. Leniwiec także jest bezbronnym zwierzęciem,
śpiącym w miejscach słabo zabezpieczonych i takie okresy stadiów pośrednich mogą dawać w połączeniu z nocnym trybem życia, ubarwieniem ochronnym (futro jest
zielone od glonów na nim żyjących) i głową obracającą
się o 1800, większą szansę na przeżycie temu powolne-
SEN
mu ssakowi. U innych bezbronnych roślinożerców, na
przykład u bydła [30], sen w ogóle jest krótki. Powodem
ograniczenia snu REM jest konieczność przeżuwania,
która zanika podczas snu REM. Przykłady te sugerują
więc, że nietypowe stadia snu świadczą raczej o przystosowaniu do przetrwania bezbronnego zwierzęcia, a nie
o wpływie temperatury ciała. Innym przykładem wskazującym, że temperatura ciała nie musi u wszystkich
zwierząt powodować drastycznych zmian w zapisie EEG
(co oczywiście w przypadku suślika czy chomika syryjskiego jest dobrze udokumentowane) są zjawiska zarejestrowane u nietoperza [31]. Podczas obniżania się temperatury ciała nietoperza z 33 do 260C nie zmienia się
amplituda EEG, choć całkowity czas zapisu EEG snu
zmniejsza się z 83 do 46% i zmienia się model snu, gdyż
w odniesieniu do całkowitego czasu snu, zwiększa się
ilość snu REM (z 10 do 18%), a zmniejsza ilość snu NREM
— z 90 do 82%. Jest to kolejna zmiana wywołana biologią gatunku. Nietoperze, w odróżnieniu od zwierząt zapadających w hibernację sezonową, wpadają w torpor
(a więc obniżają temperaturę swego ciała) codziennie, trudno więc sobie wyobrazić, by praca neuronów ich mózgu
tak zależała od temperatury ciała, jak jest to widoczne
u człowieka czy nawet u hibernatorów sezonowych.
Inny sposób życia — spędzanie większości bądź całego życia w wodzie — powoduje fizjologiczne przystosowanie do bezdechów sennych i to znacznie dłużej trwających niż tych obserwowanych w patologii snu ludzkiego. Bezdech śródsenny u ssaków spędzających całe
życie w wodzie wykazuje różną częstość, czas trwania
oraz powiązania z określoną fazą snu — zależnie od stopnia przystosowania do życia w wodzie [32]. Przedstawiciele trzech grup ssaków morskich (płetwonogie, walenie i syreny) praktycznie całe życie przebywają w morzu.
Tylko płetwonogie wydają potomstwo na lądzie — pozostałe rodzą w wodzie. U foki szarej i grenlandzkiej, podczas snu na powierzchni, zarówno w NREM, jak i w REM,
wentylacja jest regularna. Jednak, gdy śpią pod wodą, wykazują tylko NREM, a jak stwierdzono u fok grenlandzkich, próba snu REM w wodzie, ze względu na atonię
mięśniową, kończy się utonięciem. Zatem foki morskie
(płetwonogie) nie mogą spać snem REM pod wodą. Natomiast u słonia morskiego (też płetwonogie) zauważono większe przystosowanie do snu w wodzie. Gdy śpi na
lądzie, zarówno w NREM, jak i w REM, jego oddech jest
regularny, natomiast gdy śpi w wodzie (na powierzchni
czy pod powierzchnią), zarówno w NREM jak i w REM,
występują długie bezdechy. U formy południowej słonia
morskiego najdłuższe bezdechy występują podczas czuwania (mogą trwać ponad 24 min), ale u foki Weddella
najdłuższe bezdechy występują podczas snu.
U ludzi podczas bezdechu i zanurzenia głowy w wodzie zwalnia się szybkość akcji serca, podobnie jest u ssaków morskich, ale ciekawymi wyjątkami są kapturnik
www.sen.viamedica.pl
47
SEN
2001, Tom 1, Nr 1
i północny słoń morski, u których szybkość bicia serca
nie zwalnia się ani podczas bezdechu, ani podczas zanurzenia. Sugeruje się więc, że każda z tych form bezdechu jest homeostatycznie kontrolowana przez te same
lub podobne mechanizmy. Zazwyczaj uważa się, że
nieregularne bicie serca podczas REM wiąże się z występującą wówczas nieregularnością oddechu, ale u kapturnika, już przed początkiem REM zaczyna się długi spokojny bezdech, a mimo tego akcja serca jest szybka, ale
nieregularna.
Występowanie bezdechów u człowieka jest patologią,
natomiast u ssaków żyjących w wodzie świadczy o przystosowaniu. Długość bezdechu i arytmia zatokowa u ssaków morskich rozwijają się w ontogenezie. Stwierdzono
to przynajmniej u słonia morskiego i foki Weddella. U młodych zwierząt nie stwierdza się sinus arytmii, a okresy
bezdechu są u nich krótkie i łączą się ze zmienną, ale
szybką pracą serca. Natomiast starsze zwierzęta podczas
regularnego oddychania wykazują sinus arytmię, a podczas bezdechu szybkość akcji serca jest u nich stała, choć
wolniejsza niż podczas regularnego oddychania. Dopiero takie zwierzęta wypływają na dłużej i na głębsze wody.
U ludzi także obserwowano zmiany w sinus arytmii związanej z rozwojem, a nawet sugeruje się, że ryzyko nagłej
śmierci niemowląt (SIDS, sudden infant death syndrome)
wiąże się ze słabym rozwojem sinus arytmii. [32].
Nagromadzenie się dwutlenku węgla podczas bezdechu u wszystkich badanych zwierząt, bez względu na
ich przynależność systematyczną, powoduje kompensacyjne (zmniejsza się wówczas zapotrzebowanie na tlen)
obniżenie temperatury ciała [33]. Wykazano je również
u człowieka [34], jednak dotychczas nie wyjaśniono, czy
u ludzi cierpiących na bezdech śródsenny obniżenie temperatury ciała jest wywołane nagromadzeniem się dwutlenku węgla, czy też stałą deprywacją snu. Interesująca
jest natomiast rola wzrastającego stężenia dwutlenku
węgla podczas fizjologicznego snu i jego ewentualnej roli
w wywoływaniu torporu okołodobowego lub hibernacji.
Uważa się, że na zasypianie wpływa ponad 30 substancji endogennych. Jedną z nich jest adenozyna [6].
Pierwsze dowody fizjologicznego oddziaływania adenozyny opisali już w roku 1929 roku Drury i Szent-Gyorgyi
[35], którzy podkreślili znaczenie tego związku w wywoływaniu snu i obniżaniu temperatury ciała. Obecnie adenozynę uważa się za substancję zmieniającą niektóre rytmy biologiczne, na przykład rytm odżywiania, rytm okołodobowych zmian temperatury ciała oraz snu i czuwania. Jej stężenie narasta bowiem podczas czuwania (w regionie przodomózgowia związanym z podtrzymywaniem
snu), a zmniejsza się podczas snu [36]. Wykazano też, że
wymuszona bezsenność zwiększa w tej części mózgu stężenie adenozyny zewnątrzkomórkowej ponad ilości spotykane przy zachowaniu normalnego rytmu snu i czuwania, a proces „odsypiania” ilości te normalizuje. Poda-
48
nie inhibitora transportu adenozyny do przodomózgowia zwiększa czas snu, natomiast podanie go na przykład do jąder wzgórza nie wpływa na sen. Opisywane
przez Hayaishi nasenne działanie prostaglandyny D2,
wiąże się z uwalnianiem adenozyny [37]. Znane jest też
działanie antagonistów receptorów adenozyny — kofeiny i teofiliny — jako substancji zmniejszających potrzebę snu. Nagromadzona w trakcie czuwania adenozyna
nie może wówczas wywrzeć działania nasennego. Narastające stężenie adenozyny [6] tłumaczy też występowanie kilku zjawisk towarzyszących procesowi snu, na przykład: obniżenie się aktywności neuronów należących do
układów pobudzających OUN, zwolnienie akcji serca,
rozszerzenie obwodowych naczyń krwionośnych, obniżenie ciśnienia krwi, zwolnienie filtracji kłębuszkowej,
zahamowanie odpowiedzi immunologicznej i lipolizy
oraz zmniejszenie zużycia tlenu. Dochodzi wówczas również do stłumienia termogenicznej funkcji brunatnej tkanki tłuszczowej, która jest niezbędna hibernatorom w powrocie do eutermii.
Na bazie adenozynowej teorii snu proces jego ewoluowania w kierunku torporu i hibernacji hipotetycznie
można przedstawić następująco. Zimą, im bardziej dostępność pokarmu była ograniczona, tym bardziej dawni
niehibernatorzy poszukiwali miejsc utrudniających stratę
ciepła, nie miały one jednocześnie dobrej wentylacji (głębokie nory). W tych warunkach podczas snu we krwi gromadzi się dwutlenek węgla, który powoduje wzrost stężenia adenozyny. Podczas snu, w obecności nadmiaru
dwutlenku węgla, utrzymujące się wysokie stężenie adenozyny mogło dłużej oddziaływać, a zwolnienie czynności neuronów pogłębiało się [38] aż do wystąpienia torporu. Po pewnym czasie, gdy dochodziło do zmniejszenia
się hiperkapnii, adenozyna zanikała. Dalsze pogłębienie
i wydłużenie okresów torporu (do poziomu obserwowanego podczas hibernacji) było możliwe tylko wówczas,
gdy zwierzę dysponowało dostatecznymi zasobami buforów krwi, by zapobiec narastaniu kwasicy. U zwierząt,
które nie musiały tak skrajnie chronić swoich zasobów
energetycznych (zwierzęta o masie powyżej 3 kg i odżywiające się innym pokarmem niż zwierzętami zmiennocieplnymi, które zimą nie mogą być źródłem pokarmu),
nie dochodziło we śnie do nagromadzenia się dwutlenku
węgla, adenozyna powoli zanikała, zwierzę zaś wybudzało się, a nie wchodziło w stan torporu.
Oprócz cech funkcjonalnych, wymienionych powyżej, adenozyna spełnia jeszcze kilka dodatkowych wymogów stawianych substancji, która mogłaby być „induktorem” snu: jest endogenna, powszechna (od pierwotniaka do człowieka — a trudno wyobrazić sobie, by sen
u owada, jaszczurki czy człowieka powodowały różne
substancje), jej stężenie narasta podczas aktywności w całym ciele, choć w różnych proporcjach, nawet w mózgu
(najbardziej narasta stężenie adenozyny w obszarach
www.sen.viamedica.pl
Eugenia Tęgowska, Biologia porównawcza w badaniach snu
związanych z inicjacją snu); jest substancją, o krótkim
okresie trwania, więc trudno ją przekazywać z jednego
organizmu do drugiego poprzez krwiobieg. Cechę tę potwierdzono w obserwacjach snu u bliźniąt syjamskich.
Gdyby substancje snu można było przekazywać poprzez
krążenie krwi, bliźnięta syjamskie — mające przecież
wyjątkowo jednorodne warunki snu (ciszy, ciemności,
poczucia bezpieczeństwa, temperatury, stopnia sytości,
stężenia hormonów, krążącego peptydu muramylowego
itd.) — powinny wykazywać wysoce jednorodny model
snu. Choć danych tych jest mało — dzieci badano w różnym czasie od porodu i niekiedy zauważano różnice
w stopniu rozwoju tych bliźniąt — to jednak pewne wnioski wyraźnie się narzucają. Tak więc, w badaniach z 1972
roku u dzieci zrośniętych czaszkami (ale nie mózgiem
i naczyniami mózgowymi) wykazano (zapisując EEG) niezależność snu, a pewną synchronizację autorzy tłumaczą
wysoce jednorodnymi warunkami snu [39]. Nieco później [40], obserwując dzieci posiadające tylko jedno serce, stwierdzono zupełną niezależność snu. Następnie
[41], także u dzieci zrośniętych czaszkami, ale posiadających wspólne żyły i mających blisko siebie położone
— ale nie połączone — tkanki nerwowe, zauważono, że
synchronizacja snu była wysoka i wynosiła 67%. Późniejsze badania dzieci, które również były zrośnięte czaszkami i miały wspólne naczynia żylne, a także blisko przylegające pola ciemieniowo-potyliczne (ale bez ciągłości
SEN
tkanki nerwowej) wykazały synchroniczność snu. Synchroniczność obserwowano także w wystąpieniu potencjałów wywołanych u jednego dziecka, a rejestrowanych
u drugiego. Natomiast Sackett i Korner [42], obserwując
dzieci zrośnięte od mostka do pępka, wykazali znaczne
różnice w organizacji czasowej snu, choć u takich dzieci
można się spodziewać identycznych temperamentów.
Oczywiście dane te są fragmentaryczne, ale sugerują, że
ponieważ synchonizację snu obserwowano tylko tam,
gdzie występowało zrośnięcie czaszek i wspólnota naczyń mózgowych, a nie obserwowano jej przy wspólnym
krążeniu ogólnym, to czynnik inicjujący zasypianie i wybudzanie jest pochodzenia mózgowego i nie ma tak długiego okresu półtrwania, by przejść przez całe krążenie
i wywołać synchronizację snu w drugim organizmie (lub
powstając w mózgu nie przechodzi bariery krew-mózg).
Wcześniejsze obserwacje dotyczące występowania snu
po dożylnym podaniu różnych substancji, zwłaszcza jeśli był to ekstrakt z krwi albo części błon bakteryjnych,
mogły wynikać z somnogennego efektu podniesienia temperatury ciała po uruchomieniu reakcji immunologicznej. Niewykluczone, że pośrednio indukowały też podwyższenie stężenia adenozyny.
W świetle przedstawionych wyżej rozważań, uzasadniony wydaje się wniosek, że substancją somnogenną
może być adenozyna, a jej interakcja z dwutlenkiem węgla może wyjaśnić ewolucję snu w torpor i hibernację.
n Streszczenie
Biologia porównawcza w badaniach snu
Sen REM, wbrew wcześniejszym ustaleniom, występuje już u stekowców. Odmiennie niż u ssaków łożyskowych, charakteryzuje się wysoką amplitudą w zapisie EEG, lecz pozostaje snem REM, bo najistotniejszym bioelektrycznym fenomenem tego stadium snu jest aktywacja pnia mózgu. Podczas snu REM nie zawsze występują ruchy posturalne i ruchy gałek ocznych. U torbaczy podczas snu wolnofalowego nie występuje zmniejszenie czułości pracy układu termoregulacyjnego. Podczas snu REM
zmniejszenie czułości pracy układu termoregulacyjnego występuje tylko podczas ekspozycji na chłód. Sen nie jest więc ogólną
deaferentacją, lecz wybiórczym zmniejszaniem się reaktywności — zależnie od biologii gatunku. Torbacze, które w embrionalnym stadium życia są narażone na hipoksję, w dorosłym życiu wykazują mechanizmy homeostatyczne stabilizujące sen
w warunkach hipoksji i hiperkapnii. U ssaków łożyskowych, w związku z ich trybem życia, w czasie snu wolnofalowego,
a nawet w czasie czuwania, mogą występować fizjologicznie — atonia i bezdechy. Występowanie u ssaków morskich lub
ptaków spania naprzemiennie jedną półkulą sugeruje, że sen jest absolutnie niezbędny, aby przeżyć, ale wskazuje też, że
główną przyczyną snu są potrzeby mózgu. Z badań snu bliźniąt syjamskich wynika, że substancja somnogenna, kumulująca
się w jednym z bliźniąt, nie wywiera wpływu na drugie — gdy nie ma ciągłości tkanki mózgowej lub krążenia mózgowego.
Substancją somnogenną może być adenozyna, a jej interakcja z dwutlenkiem węgla może wyjaśnić ewolucję snu w torpor
i hibernację.
Słowa kluczowe: biologia porównawcza, geneza snu, struktura snu
www.sen.viamedica.pl
49
SEN
2001, Tom 1, Nr 1
Piśmiennictwo
1. Tęgowska E. Sen, torpor okołodobowy i sezonowy — zjawiska
homologiczne czy analogiczne. Kosmos 2001; 50 (w druku).
2. Rattenborg N., Lima S.L., Amlaner Ch.J. Half-awake to the risk
of predation. Nature 1999; 397: 397–398.
3. Lyamin O.I., Chetyrbok I.S. Unilateral EEG activation during
sleep in the cape fur seal arctocephalus pusillus. Neurosci. Lett.
1992; 143: 263–266.
4. Rechtschaffen A., Gilliland M.A., Bergmann B.M., Winter J.B.
Physiological correlates of prolonged sleep deprivation in rats.
Science 1983; 221: 182–184.
5. Adam K., Oswald I. Protein synthesis, bodily renewal and sleep-wake cycle. Clin. Sci. 1983; 65: 561–567.
6. Porkka-Heiskanen T. Adenosine in sleep and wakefulness. Ann.
Med. 1999; 31: 125–129.
7. Merritt J. The effects of torpor on adenosine triphosphate storage in the california pocket mouse Perognathus californicus.
Comp. Biochem. Physiol. 1985; 82A (2): 297–299.
8. Covino B.G., Hannon J.P. Myocardial metabolic and electrical
properties of rabbits and ground squirrels at low temperatures.
Am. J. Physiol. 1959; 197: 494–498.
9. Merritt J.F., Vessey S.H. Shrews — small insectivores with polyphasic patterns. W: Halle S., Stenseth N.C. red. Activity patterns in small mammals an ecological approach. Springer-Verlag, Berlin – Heidelberg 2000; 235–251.
10. Vertes R.P. A life-sustaining function for REM sleep: A theory.
Neurosci. Biobehav. Rev. 1986; 10: 371–376.
11. Dijk D.J. Physiology of sleep homeostasis and its circadian regulation. W: Schwartz W.J. red. Sleep Science: Integrating Research and Clinical Practice. Monogr. Clin. Neurosci., Karger.
Basel 1997; 15: 10–33.
12. Rosenberg R.S., Bergmann B.M., Son H.J., Arnason B.G.W.,
Rechtschaffen A. Strain differences in the sleep of rats. Sleep
1987; 10: 537–541.
13. Partinen M., Kaprio J., Koskenvuo M., Putkonen P., Langinvainio H. Genetic and environmental determination of human sleep. Sleep 1983; 6: 179–185.
14. Van Someren E.J.W. More than a marker: interaction between
the circadian regulation of temperature and sleep, age related
changes, and treatment possibilities. Chronobiology International 2000; 17: 313–354.
15. Allison T., Van Twyver H. The evolution of sleep. Natural History 1970; 79: 56–65.
16. Kowalski K. Ssaki — Zarys Teriologii. PWN, 1971.
17. Allison T., Van Twyver H., Goff W.R. Electrophysiological studies of the echidna, Tachyglossus aculeatus. I. Waking and sleep. Arch. ital. Biol. 1972; 110, 145–184.
18. Grant T.R., Dawson T.J. Temperature regulation in the platypus, Ornithorhynchus anatinus: Maintenance of body temperature in air and water. Physiol. Zool. 1978; 51: 1–6.
19. Siegel J.M., Manger P.R., Nienhuis R., Fahringer H.M., Shalita
T., Pettigrew J.D. Sleep in the platypus. Neuroscience 1999; 91:
391–400.
20. Siegel J.M., Manger P.R., Nienhuis R., Fahringer H.M., Pettigrew
J.D. The echidna Tachyglossus aculeatus combines REM and
nonREM aspects in a single sleep state: implications for the
evolution of sleep. J. Neusosci. 1996; 16: 3500–3506.
21. Ryan A.T., Hale B., Megirian D., Sherrey J.H. The effects of hypoxia and CO2 on the sleep-waking pattern of the potoroo (Potorous tridactylus apicalis). Physiol. Behav. 1983; 30: 237–242.
50
22. Milsom W., Castellini M., Harris M., Castellini J., Jones D., Berger R., Bahrma S., Rea L., Costa D. Effects of hypoxia and hypercapnia on patterns of sleep-associated apnea in elephant seal
pups. Am. J. Physiol. 1996; 271: R1017–R1024.
23. Gemmell R.T., Turner S.J., Krause W.J. The circadian rhythm of
body temperature of four marsupials. J. Therm. Biol. 1997; 22:
301–307.
24. Nicol S.C., Maskrey M. Thermoregulation, respiration and sleep in the tasmanian devil, Sarcophilus harrisii (Marsupialia:Dasyuridae). J. Comp. Physiol. 1980; 140: 241–248.
25. Van Twyer H., Allison T. Sleep in the opossum Didelphis marsupialis. Elecroenceph. Clin. Neurophys. 1970; 29: 181–189.
26. Geiser F., Masters P. Torpor in relation to reproduction in the
mulgara, Dasycercus cristicaudata (Dasyuridae:Marsupialia). J.
Therm. Biol. 1994; 19: 33–40.
27. Campbell S.C., Tobler I. Animal sleep: A review of sleep duration across phylogeny. Neurosci. Biobehav. Rev. 1984; 8: 269–
–300.
28. De Moura Fliho A.G., Huggins S.E., Lines S.G. Sleep and waking in the three-toed sloth, Bradypus tridactylus. Comp. Biochem. Physiol. 1983; 76A: 345–355.
29. Ruckebusch Y., Toutain P.L. La phylogénése du smmeil. Confront Psychiatry 1977; 15: 9–48.
30. Ruckebusch Y., Bell F.R. Étude polygraphique et comportementale des états de veille et de sommeil chez la vache (Bos taurus).
Ann. Rech. Véter. 1970; 1: 41–62.
31. Brebbia D.R., Pyne E.T. Environmental hypothermia and cerebral electrical activity of the Little brown Bat, Myotis lucifugus.
APSS Meeting 1971; 9: 122.
32. Castellini M.A. Dreaming about diving:sleep apnea in seals. New
Physiol. Sci. 1996; 11: 208–214.
33. Wood S.C. Interactions between hypoxia and hypothermia. Ann.
Rev. Physiol. 1991; 53: 71–85.
34. Schaefer K., Messier A.A., Morgan C., Baker G.T. Effect of chronic hypercapnia on body temperature regulation. J. Appl. Physiol. 1975; 38: 900–906.
35. Chagoya De Sanchez V. Circadian variations of adenosine and
of its metabolism. Could adenosine be a molecular oscilator for
circadian rhythms? Can. J .Physiol. Pharmacol. 1995; 73: 339–
–355.
36. Porkka-Heiskanen T., Strecker R.E., BjöRkum A.A., Thakkar M.,
Greene R.W., Mccarley R.W. Adenosine: a mediator of the sleep-inducing effects of prolonged wakefulness. Science 1997; 276:
1265–1268.
37. Hayaishi O. Molecular mechanisms of sleep-wake regulation:
a role of prostaglandin D2. Phil. Trans. R. Soc. Lond. B. 2000;
355: 275–280.
38. Morisson F., Decary A., Petit D., Lavinge G., Malo J., Montplaisir J. Daytime sleepiness and EEG spectral analysis in apneic
patients before and after treatment with continuous positive
airway pressure. Chest 2001; 119: 45–52.
39. Lenard H.G., Schulte F.J. Polygraphic sleep study in craniopagus twins (Where is the sleep transmitter?). J. Neurol. Neurosurg. Psychiatry 1972; 35: 756–762.
40. Webb W.B. The sleep of conjoined twins. Sleep 1978; 1: 205–
–211.
41. Lahmeyer H.W. Sleep in craniopagus twins. Sleep 1988; 11: 301–
–306.
42. Sackett G., Korner A. Organisation of sleep-waking states in conjoined twin neonates. Sleep 1993; 16: 414-427.
www.sen.viamedica.pl