Стадии сна. 
Изучение сущности сна

Разделив день человека на сон и бодрствование нужно углубиться в вопрос о стадиях сна. После процесса бодрствования, когда давление сна критическое, альфа-ритм ЭЭГ исчезает, уступая место мелким, быстрым, нерегулярным волнам, в то время как на ЭОГ видны медленные колебания, соответствующие вращательным движениям глаз, наступает первая стадия сна. Эта фаза переходная между бодрствованием и сном. Вскоре возникают большие волны, перекрываемые вспышками быстрой активности, называемой «сонными веретенами». Время от времени также появляются большие медленные волны — так называемые K-комплексы. Мышечное напряжение уже значительно ниже, чем при бодрствовании, глаза неподвижны. Всё это характерные признаки второй стадии, первое появление которых рассматривается многими исследователями как момент наступления истинного сна. Это важный вид сна, так как занимает больше половины времени всего сна. Затем волны ЭЭГ увеличиваются и замедляются. Эти медленные колебания, имеющие частоту 1−4 цикла в секунду, называются дельтаволнами. Такой сон характерен для третьей стадии. Если дельтаволны занимают 20% времени записи сна, то сон переходит в 4 стадию. Стадии три и четыре вместе часто называют дельтасном, или глубоким медленным сном. 4] Затем на ЭЭГ видны небольшие быстрые колебания, на ЭОГ присутствуют броски пера, соответствующие быстрым движениям глаз, мышечный тонус отсутствует. Это новый периодпарадоксальный сон. За ночь можно наблюдать несколько таких циклов, при этом медленный сон больше всего выражен в первых двух циклах, хотя парадоксальный удлиняется от цикла к циклу в течение ночи. Один такой типичный цикл длится около 90 минут.

Если эти стадии рассматривать с точки зрения ощущений человека, то их можно описать следующим образом:

Первая стадия. Человек чувствует дремоту с полусонными мечтаниями и сноподобными галлюцинациями. В этой стадии могут интуитивно появляться идеи, способствующие успешному решению той или иной проблемы.

Вторая стадия. На этой стадии появляется сигма-ритм, который представляет собой учащённый альфа-ритм (12—14—20 Гц). С появлением «сонных веретён» происходит отключение сознания; в паузы между веретёнами (а они возникают примерно 2—5 раз в минуту) человека легко разбудить. Повышаются пороги восприятия. Самый чувствительный анализатор — слуховой (мать просыпается на крик ребёнка, каждый человек просыпается на называние своего имени).

Третья стадия. Характеризуется всеми чертами второй стадии, в том числе наличием «сонных веретён», к которым добавляются медленные высокоамплитудные дельта-колебания (2 Гц).

На 4 стадии преобладают дельта-колебания (2 Гц). В это время человека разбудить очень сложно; возникают 80% сновидений, и именно на этой стадии возможны приступы лунатизма и ночные кошмары, однако человек почти ничего из этого не помнит.

5 стадия — быстрый сон. Предполагают, что быстрый сон обеспечивает функции психологической защиты, переработку информации, ее обмен между сознанием и подсознанием.

Рис. 6 Стадии сна на ЭЭГ, ЭМГ и ЭОГ

1 модель — стоит обратиться к описательной двухмаятниковой модели, придуманной французским доктором Гилемом Перемарти.

По его модели количество и качество сна имеют три параметра, которые варьируются день ото дня и от одного человека к другому. Они зависят от жизненных условий (работа, климат, питание) и индивидуальных характеристик спящего. Сомнологические характеристики определяют типологию спящего.

Хронобиологический баланс человека зависит от эквивалента между его поведением во время бодрствования и генетических характеристик. Баланс же сна повинуется системе двойного маятника.1-циркадный маятникмодулирует давление сна в соответствии с тем, какое время на внутренних часах человека в рассматриваемый момент времени. Второй маятник, гомеостатический, зависит с одной стороны от индивидуальных потребностей во сне, и с другой стороныот внешних ограничений. В норме, пробуждение и сон следуют друг за другом, и следовательно, этот ритм находится в балансе с дневнымночным кругом. Хаотическое движение начинается после изменения в периоде одного из маятников-оно аналогично состояниям внешней разобщённости, встречающейся у людей, которые страдают, например, от невозможности адаптироваться к сменной работе, общей анастезии и др. Внешние разобщённости выражаются через жалобу на усталость или сонливость.

На рисунке три представлена двухмаятниковая модель. На левой стороне фигурыциркадный маятник, который ведёт себя как внутренние часы, которые будут открывать (закрывать снова) ворота сна в некоторые благоприятные для сна моменты времени. Циркадная организация (24 часа) сонливости зависит от изменений температуры тела человека (которая колеблется вокруг 36.5 с минимумом в середине ночи и максимумом в конце дня[7]. Они являются одним из главных определителей открытия-закрытия ворот сна. Ритм циркадного маятника (измеренный в цикле человеческой температуры) зависит от активности мозгового гормонамелатонина, секретируемого под действием ферментов, которые активизируются воспринятым светом. На правой стороне фигурыгомеостатический маятник, который можно сравнить с простыми песочными часами, которые переворачиваются после накопления определённого количества сна или бодрствования. В адаптационных равновесных зонах маятника, длительность каждого периода пропорциональна предшествующим.

Внешние факторы (свет, тепло, еда и социальные контакты)-это процесс синхронизации сна с дневным и ночным чередованием.

Сила воздействия между двумя маятниками и инерцией всей системы определяет способность адаптироваться к нерегулярным ночным графикам. Равновесная зона соответствует границам, за которыми движение становится хаотическим (непредсказуемым). Параметры равновесной зоны устанавливают гибкость-жёсткость типологии спящего.

• 2 модель
• 2 моделькомбинированнаябыла придумана национальным институтом здоровья.

Рис. 8 Комбинированная модель

Комбинированная модель состоит из трёх блоков: циркадного осциллятора, REMS-осциллятора и гомеостата сна. Циркадный осциллятор представляет собой биологические часы, влияние на которые оказывает супрахиазмальное ядро (рис.9) в гипоталамусе.

Рис. 9 Попадание света на супрахиазмальное ядро

Как показано на рисунке 8 и 9, циркадный осциллятор напрямую зависит от света, а это, в свою очередь, влияет как на REMSосциллятор, так и на гомеостат.

Формулы, приведённые ниже, показывают как параметры C и Cc изменяются под влиянием внешнего света интенсивности I.

В указанных формулах Спостоянная циркадная переменная, а Ссдополнительная. Параметр С напрямую зависит от света (при увеличении свечения параметр С тоже увеличивается, и наоборот).

Коэффициент м является «жесткостью» циркадного осциллятора, а k является коэффициентом чувствительности к воздействию света. В этой модели м и k были установлены до 0,26 и 0,025, соответственно[6].

Параметр фс представляет собой естественный период циркадного осциллятора. У взрослого человека он составляет около 24,2 часов.

Процесс A (в следующих двух уравнениях) описывает медленно-волновую активность в ЭЭГ;

а процесс Sя-производная от гомеостатического процесса, описанного в двухмаятниковой модели.

б, в, г, дR и дW все положительные параметры. Каждому из вышеперечисленных параметров ставятся следующие значения соответственно: 0,84, 0,055, 16,98, 14,16 и 60. 6] Параметр AL небольшое положительное число, используемое для ослабления медленных волн, когда человек начинает переходить в состояние бодрствование или REMS.

В этой модели R и Wтриггеры, переключающие состояние «REMS» и «бодрствование» в одно из двух устойчивых состояний. Каждый из этих двух триггеров может принимать значения равные 0 или 1(выключение или включение состояния соответственно). REMS триггер срабатывает, когда человек проходит все стадии медленного сна и значение переменной x начинает превышать 1.4.

А именно, триггер активируется, когда S (гомеостатический маятник) занимает положение ниже порога L, и триггер дезактивируется, когда S в точке выше верхнего порога H. Верхний и нижний пороги вычисляются из циркадного процесса C следующим образом:

Осциллятор REMS проводит оценку динамики быстрого сна. В работе используется адаптированное взаимодействие предельного цикла модели, предложенного McCarley и Массакуа (1986). Эта модель точно изображает увеличение продолжительности REMSпериодов в течение ночи.

В следующих двух уравнениях описывается поведение х и у процессов в генераторе REMS:

Здесь у-положительная постоянная используется для обозначения временного масштаба колебаний REMS. Положим у равно 6,4486[6] для того, чтобы смоделировать типичный 90-минутный цикл сна человека. Остальные параметры определяются следующим образом:

Cso и Тso представляют уровень C в момент времени t. В данной модели параметры Do и Ew устанавливаются до 0,08 и 0,95, соответственно. Уровень X, требуемого для включения триггера REMS, равен 1.4,как было сказано выше.

Реализация в MATLAB.

Оригинальная комбинированная модель была интегрирована авторами на равномерно распределённой временной сетке с шагом (по времени) равным 1 минуте. В представленной реализации в MATLAB, был использован переменный шаг по времени (~ 3,5 минуты) в сочетании с действием «корень-поиск"(в MATLAB) с помощью редактора root locus, связанного со встроенным в MATLAB интегратором ОДУ. Редактор root locus был использован для более точного решения уравнений для сна и бодрствования Из-за характера функций С, Cc, S, A, х и у, был использован интегратор ode15s. Реализация предложенной модели в MATLAB способом, описанным выше, позволила обеспечить лучший контроль за точностью моделирования, увеличением/уменьшением количества сна и снижением времени расчета в связи с более высоким временным шагом.

Обоснование модели Ниже приводятся как аналитические, так и вычислительные проверки для модели регуляции сна. Аналитически был обеспечен устойчивый анализ бифуркации гомеостатом сна. С вычислительной точки зрения, нужно варьировать параметры, описанные выше, для каждого компонента модели, чтобы изучить взаимосвязи между давлением сна и его продолжительностью.

Рис. 10 Участок модели регуляции сна. Верхняя и нижняя пунктирная красная линия соответствует верхним и нижним пороговыми значениями, H и L, соответственно. Синяя линия представляет собой процесс S. голубая строка представляет собой процесс A (медленную волновую активность).

Гомеостатические процессы S и движение медленных волн эффективно описаны с помощью анализа устойчивого состояния. Решая дифференциальные уравнения для S и A, можно вычислить их через следующие системы, зная граничные условия для устойчивого состояния:

Эти уравнения показывают, что во время отсутствия REMS сна, медленная волновая активность отталкивается от неустойчивого стационарного состояния в точке 0 и переходит к стабильному стационарному состоянию в точке равной текущему уровню С. Во время бодрствования или REMS волновая активность переходит к стабильному стационарному состоянию в точке в каком-то небольшом положительном значении (большом отрицательном значении).

Стационарные значения процесса S задаются следующими уравнениями:

Уравнения выше показывают, что S постоянно стремиться к устойчивой стационарной точке, которая изменяется в зависимости от уровня медленной активности волн процесса А. Как правило, если параметр A мал (например, в REMS или бодрствования), то S будет монотонно расти, стремясь к 1. Если A увеличивается, устойчивые стационарные точки для S уменьшают своё значение, в результате чего S падает.

Бифуркация системы описывается внезапным изменением стационарных состояний и стабильности параметра A, когда REMS триггер включен или выключен. Переключение с REMS-off в REMS-on или ото сна к бодрствованию приводит к ослаблению параметра A, в то время пока REMS-off позволяет параметру A приблизиться к уровню S. Хоть этот режим относительно легко описывается, математические свойства этой бифуркации не до конца понятны, поскольку значения параметров R и W меняются не плавно.

Предложенная модель имеет большое значение для прогнозов сроков сна и бодрствования в зависимости от внешнего освещения. Тем не менее, ясно, что разрывы в стабильности сна являются отрицательной чертой для дальнейшего обоснования этой модели. Переход на более простую, с более понятными параметрами систему с хорошо изученной бифуркацией может стать следующим необходимым шагом, т. к. биологи и математики намерены смоделировать волны медленной активности во время сна и бодрствования. 6].

Целью изучения этой модели является установление взаимосвязи между давлением сна и его продолжительностью. Есть предположение, что лица, находящиеся под большим" давлением" сна (измеряется по амплитуде S) имеют маленькую ежедневную продолжительность сна, а лица, и наоборот.

Результаты полученные по данной модели согласуются с другими данными по изучению этого вопроса и показывают обратную зависимость между общим «давлением сна» и его продолжительностью.

Рис. 11 Результаты моделирования. Красная линиячеловек, который спит мало (6 часов).Голубаячеловек с большой длительностью сна (10 часов).Человек, с нормальной длительностью сна (8 часов).

Исследование показало, что предлагаемая комбинированная модель очень эффективна для регуляции сна, а также при прогнозировании времени сна и бодрствования у взрослых людей под различными условиями освещения. Аналитические и вычислительные средства были использованы, чтобы показать, что модель относительно хорошо изучена и охватывает взаимосвязь между внешним освещением и циркадным ритмом.

Другие более сложные модели включают дополнительные процессы, которые можно описать добавлением систем дифференциальных уравнений. Это часто приводит к дальнейшим осложнениям комбинированной системы, что в конечном счёте может разрушить всю систему в целом. 6] Так что дальнейшие исследования направлены на упрощение модели, сохраняя желаемое поведение.

3 модель Третья модель, которая находится на стадии разработкиэто модель полифазного сна. К сожалению вопрос о разбиении сна на множество частей на данный момент интересует немногих, но всё-таки немало известных учёных, которые практиковали эту модель и успешно.

Когда речь заходит о полифазном сне, первое имя, которое вспоминаетсяэто имя Леонардо Да Винчи. Примечательно, что Да Винчи имел аккуратное расписание для сна, которое было названо Uberman (Сверхчеловек). Dr. Claude Stampi исследовал все режимы полифазного сна в своей книге «Why we nap» («Почему мы дремлем»), а режим Uberman он так и назвалСон Да Винчи. Stampi был основателем Института Исследования Хронобиологии, и бывшим моряком. Он написал ряд статей о полифазном режиме сна моряков, объединенных водну книгу «Why we nap» («Почему мы дремлем?»), опубликованную в 1992;м.

В целом полифазный сон имеет несколько режимов. Рассмотрим недостатки и достоинства каждого.

Рис. 12 Режимы сна.

На первых двух диаграммах показаны обычный привычный всем монофазный сон и двухфазный сон соответственно.

На третьей мы видим режим, названный Everyman. Этот режим обычно включает 3-хчасовой сон ночью и три двадцатиминутных перерыва на сон в течение дня. Альтернативами могут быть полтора часа ночью и четыре перерыва или же четыре часа ночью и два перерыва. Перерывы на сон должны иметь примерно одинаковое время между собой, однако не обязательно равные по продолжительности. Однако время бодрствования между перерывами не должно длиться больше шести часов.

На 4 диаграмме мы видим режим Uberman. В этом режиме человек должен спать каждые четыре часа в течении 15−30 минут, не получая глубокого сна. Этот режим похож на режим Dymaxion. Dr. Fuller создал систему из равных (эквифазных) тридцатиминутных перерывов на сон и назвал её Dymaxion. В издании Time Magazine от 11 октября 1942 года была короткая статья, посвящённая этому методу. Согласно ей, автор придерживался такого графика в течение двух лет, но потом ему пришлось бросить это занятие, потому что «его расписание противоречило расписанию его компаньонов, которые настаивали на том, что спать нужно, как нормальные люди» .

Исследование, опубликованное в Journal of Sleep Research в сентябре 2002 года, касающемся эффектов, оказываемым короткими отрезками сна (napping) на производительность, показало, что 10-минутные отрезки сна зачастую улучшают производительность сильнее, чем более длинные отрезки, что даёт право на существование гипотезе, что многофазный сон полезен.

Несмотря на то, что полифазный сон изучен достаточно мало, следует упоминать об этой интересной модели сна как о перспективе развития науки сомнологии, так как режимы многофазного сна позволяют бодрствовать на несколько часов больше, чем при однофазном.