На крысах проводились опыты по запоминанию новых условий эксперимента. Сначала их научили нажимать левой лапой на педаль, чтобы получить пищу; затем животных переучивали: заставляли вопреки привычке пользоваться правой лапой вместо левой. При этом активация синтеза белков шла одновременно и в нейронах, и в глии, причем в глии были обнаружены белки, которых нет в нейронах.

Так в нейрохимии появилась еще одна, новая глава под названием «мозгоспецифические белки» — о белках, характерных исключительно для клеток нервной системы.

Как известно, набор белков, присущий данному организму, во всех органах однотипен. Однако в нервной системе удалось найти наряду с белками обычными для других органов несколько таких, которых нет ни в одном другом органе, например белок, условно обозначенный S-100, который преимущественно содержится в глии. Именно он накапливался в глии при переучивании крыс. Общее количество белка в головном мозгу крыс — около 200 мг, а на долю белка S-100 приходится не более 0,4 мг. Однако если в боковые желудочки мозга крысы вводили антисыворотки против белка S-100, то это заметно уменьшало способность животных к переучиванию.

В синапсах обнаружили белок, напоминающий сократительный белок мышц. Такой белок имеется во всех тканях, где наблюдаются механические перемещения и пространственные изменения формы. Когда он сокращается или расслабляется, меняется форма и конфигурация синаптических мембран и, следовательно, меняется проведение импульса.

Состояние сократительного белка (сокращение или расслабление) зависит от ионов кальция. Белок S-100 способен активно их захватывать. Накапливаясь в ходе обучения, он начинает все больше и больше отнимать ионы кальция от. сократительного белка. Таким образом регулируется состояние тех каналов, по которым выходит калий и входит натрий. Следовательно, белок S-100, преимущественно содержащийся в глиальных клетках, может оказывать влияние на синапсы, — такова гипотеза. В ближайшие годы основные исследования глии будут посвящены именно этой, третьей ее функции.

Как видим, изучение первого из недавно открытых специфических для мозга белков стимулировало исследования механизма обучения и поведения животных, а третья функция глии поднимает эту «второстепенную субстанцию» до уровня нейронов.

Прошло уже более 20 лет со времени открытий, заставивших пересмотреть все прежние представления о нашем сне. Было установлено, что сон — это не торможение, а весьма активный процесс, связанный с возбуждением определенных структур мозга. В особенности «быстрый», или, как часто его называют, парадоксальный, сон с быстрыми движениями глаз и электрической активностью мозга, не отличающейся от активности в бодрствовании. После того как эти открытия были сделаны, началось бурное изучение развития механизмов сна. Сейчас исследование этой проблемы разделилось на два основных направления: изучение биохимических механизмов развития сна и выявление тех изменений в нервной системе, которые вынуждают нас спать. В первом направлении уже сделано много глубоких и очень интересных работ. Прежде всего — это результаты блестящих исследований французского ученого Мишеля Жувэ.

Смена различных фаз сна (а также переход от бодрствования ко сну) сопровождается сменой активности нервных клеток — нейронов — в стволе мозга. Передача нервных импульсов осуществляется через синапсы — места соединений между клетками и их отростками — с помощью химических передатчиков — медиаторов. В зависимости от того, какой медиатор выделяется в синаптическую щель, называют данные структуры холинергическими (медиатор — ацетилхолин), серотонинергическими (медиатор — серотонин) и т. д.

Тела нейронов, в которых есть серотонин, находятся в ядрах шва каудального («кауда» — хвост по-латыни) отдела мозгового ствола, и от них идут восходящие (к переднему отделу, коре) и нисходящие (в спинной мозг) длинные отростки нервных клеток — аксоны.

Если бодрствование поддерживается норадреналин- и дофаминергическими нейронами, то переход от бодрствования в фазу медленного сна[31] (с этой фазы всегда начинается сон) — серотонинергическими. Переход от медленного к быстрому сну еще до конца не расшифрован, однако и тут уже есть довольно обоснованная гипотеза. По образному сравнению М. Жувэ, как у хорошего кассира сейф открывается тремя ключами, так быстрый сон, очевидно, зависит от возбуждения трех структур, содержащих ацетилхолин, серотонин и норадреналин. Таким образом, картина нашего сна постепенно начинает проясняться. Становятся понятны механизмы возникновения трех состояний, в которых мы живем: бодрствования, медленного и быстрого сна.

Быстрые движения глаз в быстром (парадоксальном) сне, вероятно, связаны с возбуждением холинергических нейронов. Эта же система, возможно, вызывает и падение тонуса всех скелетных мышц при быстром сне единственном естественном периоде полного расслабления в нашей жизни.

Однако, если сон — активное рабочее состояние, неясно, для чего он нужен. Неясно также, почему эта удивительная работа приносит ощущение обновления и отдыха.

Еще в начале нашего столетия было предложено несколько теорий, объясняющих необходимость сна. Французские ученые Лежандр и Пьерон опубликовали работу, где говорилось о том, что при сне после длительной бессонницы в сыворотке крови, тканях мозга и спинномозговой жидкости собак накапливаются вещества, способные вызывать сон у бодрствующих животных.

Много лет спустя, уже в наше время, американский биохимик Паппенхаймер и швейцарский Моннье сумели доказать, что в мозгу у спящих животных накапливается вещество, способное вызывать медленный сон у бодрствующих. Моннье выделил это вещество в чистом виде из крови кроликов. Паппенхаймер обнаружил в спинномозговой жидкости коз, спавших после длительного лишения сна, фактор-S, вызывающий сон. Вещество, выделенное Моннье, оказалось пептидом, производным девяти аминокислот. Пептид (Моннье назвал его дельта-фактором) удалось синтезировать искусственно. Так было получено естественное снотворное, одинаковое для всех спящих млекопитающих, независимо от того, к какому виду они принадлежат, в том числе и для человека.

Дельта-фактор появляется при сне. Но почему появляется сон? Вызывает ли его это вещество, или появление дельта-фактора — следствие наступления сна? Какие биохимические изменения происходят во сне в клетках мозга? И если происходят, то во время каких фаз: в быстром или в медленном сне (или и в том и в другом)? Для того чтобы получить ответы на эти вопросы, необходимо было продолжать исследования.

Объектом исследований в нашей лаборатории были крысы. Сон у крыс короткий, от 15 до 30 минут, но в общей сложности они спят довольно много. После максимального по продолжительности сна мозг крысы исследовался биохимически.

В стволе мозга наряду с другими есть два скопления нейронов, два ядра — супраоптическое и красное. Исследовали нейроны и глиальные клетки этих ядер. При стрессовых состояниях из супраоптического ядра выделяются белки гормоны, поступающие в общий кровоток организма. Эти вещества оказывают влияние на активность гипофиза и всей эндокринной системы. Красное ядро тоже обладает высокой интенсивностью белкового обмена, но несет другие функции. Оно не имеет отношения ни к стрессовым состояниям, ни ко сну, а связано со спинным мозгом, мозжечком и корой головного мозга.

Было установлено, что у крыс в естественном сне идет накопление гистоноподобных белков и рибонуклеиновых кислот в клетках глии супраоптического ядра, причем за 10–20 минут сна их накапливается на 20 30 процентов больше по сравнению с бодрствованием. В нейронах этого ядра при сне накапливаются рибонуклеиновые кислоты. В то же время в нейронах красного ядра содержание белков несколько снижается.

При лишении крыс быстрого сна результаты получились неожиданные и очень интересные. В то время, когда наступает фаза быстрого сна, падает тонус скелетных мышц. Расслабление начинается с мышц шеи и затем охватывает все мышцы тела. Если крысу посадить на небольшую (5×5 см) площадку, выступающую над водой на 3–4 сантиметра, то животное окунет мордочку в воду или даже свалится в нее, как только перейдет в фазу быстрого сна. Очутившись на площадке снова, крыса через некоторое время опять уснет. Сон всегда начинается с медленного сна. Через некоторое время наступит быстрый сон, и все повторится сначала.