Почему гормон роста, который выделяется во сне, помогает мозгу проснуться

Учёные обнаружили нейронную цепь, которая связывает сон, восстановление тканей, обмен веществ и бодрствование

Мы привыкли считать сон временем отдыха. Однако для организма это период активной физиологической регуляции: меняется работа нервных сетей, перестраивается гормональная секреция, запускаются процессы восстановления тканей.

Особенно важен гормон роста — соматотропин. Его название ассоциируется прежде всего с ростом детей, но у взрослых он продолжает выполнять множество функций.

Новое исследование помогает понять, как мозг связывает эти процессы с различными стадиями сна и почему гормональная регуляция может влиять не только на физическое восстановление, но и на переход от сна к бодрствованию.

Гормон роста нужен не только для увеличения роста

Соматотропин вырабатывается передней долей гипофиза — небольшой эндокринной железой, расположенной у основания мозга.

У детей и подростков он способствует росту костей и других тканей. У взрослых участвует в поддержании мышечной и костной ткани, белковом обмене и регуляции энергетических ресурсов организма.

Его действие включает несколько важных процессов:

• Гормон роста способствует синтезу белка, необходимого для обновления тканей.
• Он стимулирует липолиз — расщепление запасённых жиров с высвобождением жирных кислот, которые клетки могут использовать для получения энергии.
• Часть эффектов реализуется через инсулиноподобный фактор роста IGF-1, который преимущественно вырабатывается печенью и действует на различные периферические ткани.

При этом гормон роста влияет и на обмен глюкозы. Его метаболические эффекты сложны: повышение концентрации соматотропина само по себе не означает улучшения чувствительности к инсулину или снижения риска диабета.

Поэтому популярное представление, будто достаточно увеличить выделение гормона роста, чтобы быстрее наращивать мышцы и избавляться от жира, чрезмерно упрощает физиологию.

Почему глубокий сон связан с гормоном роста

Секреция соматотропина происходит не равномерно в течение суток, а отдельными импульсами.

У человека один из наиболее выраженных выбросов обычно наблюдается вскоре после засыпания. Он тесно связан с медленноволновым, или глубоким, сном.

Это стадия N3, входящая в фазу NREM — сон без быстрых движений глаз. Для неё характерны медленные электрические колебания активности мозга.

Особенно много глубокого сна обычно приходится на первую часть ночи.

Связь между медленноволновым сном и выделением гормона роста известна десятилетиями. Исследования показывали, что интенсивность секреции соматотропина часто связана с выраженностью этой стадии.

Однако оставался фундаментальный вопрос: какие именно нейроны связывают состояние сна с гормональной системой?

Для ответа недостаточно измерить концентрацию гормона в крови. Необходимо проследить работу нервных клеток, управляющих его выделением.

Именно такую задачу поставили исследователи из лаборатории нейробиолога Ян Дан (Yang Dan) в Беркли совместно с коллегами из Стэнфордского университета.

Как учёные нашли нейронную цепь управления гормоном роста

Эксперименты проводились на мышах.

Исследователи регистрировали активность определённых групп нейронов во время сна и бодрствования, изучали их анатомические связи и использовали оптогенетику — метод, позволяющий управлять активностью генетически модифицированных нервных клеток с помощью света.

Особое внимание уделили гипоталамусу.

Это область мозга, которая связывает нервную систему с эндокринной. Она участвует в регуляции температуры тела, голода, жажды, сна и выделения многих гормонов.

В гипоталамусе исследователи изучали три группы нейронов:

• Первая вырабатывает соматолиберин (GHRH) — гормон, который стимулирует гипофиз к выделению гормона роста.
• Две другие группы вырабатывают соматостатин — вещество, которое, напротив, подавляет секрецию соматотропина.

Оказалось, что соматостатиновые нейроны выполняют разные функции в зависимости от своего расположения.

Нейроны дугообразного ядра гипоталамуса тормозят соседние клетки, вырабатывающие GHRH.

Нейроны перивентрикулярной области действуют другим путём — через нервные окончания, направленные к срединному возвышению гипоталамуса, важному участку связи с гипофизом.

Таким образом, мозг использует несколько отдельных механизмов для управления одним гормоном.

Во время разных стадий сна система работает по-разному

Здесь исследователей ожидала интересная закономерность.

Во время NREM-сна активность нейронов, выделяющих соматостатин, снижалась, тогда как активность нейронов GHRH умеренно возрастала.

Такое сочетание создаёт условия для усиления секреции гормона роста: стимулирующий сигнал увеличивается, а тормозящее влияние ослабевает.

Но во время REM-сна картина оказалась другой.

REM — фаза сна с быстрыми движениями глаз, для которой характерна высокая активность мозга и во время которой часто возникают яркие сновидения.

В этой фазе исследователи наблюдали выраженные всплески активности как нейронов GHRH, так и соматостатиновых нейронов.

При этом выделение гормона роста также усиливалось.

На первый взгляд возникает противоречие: как гормон может активно выделяться, если одновременно усиливается сигнал, подавляющий его секрецию?

Ответ связан со сложной организацией нейронной сети.

Регуляция зависит не только от того, насколько активен каждый тип клеток, но и от их расположения, связей, времени поступления сигналов и взаимодействия между различными группами нейронов.

Поэтому активность одного тормозящего механизма нельзя рассматривать отдельно от работы всей системы.

Исследование показало, что усиленное выделение гормона роста во время REM- и NREM-сна сопровождается различными сочетаниями нейронной активности.

Это существенно расширяет прежнее представление о связи соматотропина исключительно с глубоким сном.

Однако важно помнить: такие закономерности непосредственно установлены у мышей. У человека наиболее выраженная связь секреции гормона роста с медленноволновым сном подтверждена отдельными клиническими исследованиями.

Неожиданное открытие: гормон роста воздействует на центр бодрствования

Самым интересным результатом стало обнаружение обратной связи.

До этого было хорошо известно, что сон влияет на выделение гормона роста.

Но исследователи показали, что гормон роста, в свою очередь, способен изменять активность определённых нервных клеток мозга.

Речь идёт о голубом пятне — locus coeruleus.

Это небольшая структура в стволе мозга, содержащая нейроны, которые вырабатывают норадреналин.

Норадреналиновая система участвует в поддержании бодрствования, регуляции внимания, реакции на новые стимулы и переключении между различными функциональными состояниями мозга.

Оказалось, что гормон роста повышает возбудимость нейронов голубого пятна и способствует бодрствованию.

Возникает замкнутая регулирующая цепь.

Сон усиливает выделение гормона роста. Гормон роста воздействует на голубое пятно. Активность этой структуры способствует переходу к бодрствованию.

Получается, что один и тот же гормон участвует как в физиологических процессах, связанных со сном, так и в регуляции выхода из него.

Это пример отрицательной обратной связи — механизма, при котором результат работы системы ограничивает процесс, способствовавший его возникновению.

Именно такие механизмы помогают организму поддерживать физиологическое равновесие.

При чём здесь мышцы, жировая ткань и когнитивные функции

Открытие связывает две системы, которые обычно рассматривают отдельно.

Первая — эндокринная регуляция роста, восстановления тканей и обмена веществ.

Вторая — нервная регуляция сна, внимания и бодрствования.

Гормон роста давно известен как один из факторов, участвующих в поддержании мышечной и костной ткани и использовании жировых запасов.

Новая работа показывает, что система его выделения непосредственно связана с нейронными механизмами управления состоянием мозга.

Особенно интересна роль голубого пятна.

Эта структура участвует в поддержании внимания и реакции на окружающую среду. Поэтому обнаруженная связь позволяет предположить, что гормон роста может косвенно влиять на некоторые когнитивные функции через изменение активности норадреналиновой системы.

Однако здесь необходимо разделять экспериментальный результат и возможную интерпретацию.

Исследователи продемонстрировали влияние гормона роста на возбудимость нейронов голубого пятна и бодрствование у мышей.

Они не доказали, что повышение соматотропина улучшает память, обучаемость или интеллектуальные способности человека.

Точно так же исследование не измеряло прирост мышечной массы или уменьшение жировой ткани вследствие работы обнаруженной нейронной цепи.

Эти эффекты относятся к известным физиологическим функциям гормона роста, а не к непосредственным результатам данного эксперимента.

Почему открытие заинтересовало специалистов по диабету и нейродегенеративным заболеваниям

Нарушения сна часто сопровождают метаболические и неврологические заболевания.

При диабете проблемы со сном могут осложнять контроль обмена веществ. При болезнях Паркинсона и Альцгеймера нередко наблюдаются нарушения сна и бодрствования.

При этом голубое пятно представляет особый интерес для нейробиологов, поскольку его норадреналиновая система связана с вниманием и другими функциями мозга и может подвергаться патологическим изменениям при нейродегенеративных заболеваниях.

Обнаруженная цепь позволяет рассматривать взаимодействие гормона роста и голубого пятна как потенциальное направление будущих исследований.

В перспективе учёные смогут проверить, можно ли воздействовать на отдельные элементы этой системы для восстановления нарушенной регуляции сна или гормональной секреции.

Но до клинического применения ещё далеко.

Работа выполнена на животных. Неизвестно, насколько точно обнаруженные механизмы воспроизводятся у людей, как они меняются с возрастом и при заболеваниях и можно ли безопасно использовать их в терапевтических целях.

Тем более нет оснований утверждать, что препараты гормона роста способны предотвращать деменцию или лечить нарушения сна.

Подобные выводы потребовали бы самостоятельных клинических исследований.

Что исследование означает для обычного человека

Практический вывод не заключается в необходимости искусственно повышать гормон роста.

Гораздо важнее понимать, что полноценный сон обеспечивает согласованную работу нервной и эндокринной систем.

Для большинства взрослых регулярный сон продолжительностью не менее семи часов рассматривается как один из базовых факторов поддержания здоровья.

При этом значение имеет не только общая продолжительность, но и сохранность нормальной структуры сна, включая чередование NREM- и REM-фаз.

Хронический недосып, частые ночные пробуждения и заболевания, нарушающие сон, могут вмешиваться в эту регуляцию.

Если сон постоянно прерывается, сопровождается выраженным храпом, остановками дыхания или дневной сонливостью, стоит обсудить симптомы с врачом. Такие нарушения требуют оценки причин, а не попыток самостоятельно корректировать гормональный фон.

Новое исследование не предлагает способа быстро увеличить мышечную массу или снизить вес за счёт сна. Оно объясняет один из фундаментальных биологических механизмов, благодаря которым сон связан с восстановлением организма и работой мозга.