BIOLÓGIAI RITMUSOK, ALVÁS, ÉBRENLÉT

Dr. Bódizs Róbert

Semmelweis Egyetem

Magatartástudományi Intézet

Pázmány Péter Katolikus Egyetem

Általános Pszichológia Tanszék

BIOLÓGIAI ÉS SZOCIÁLIS RITMUSOK: KO-REGULÁCIÓ, HARMÓNIA ÉS DISZHARMÓNIA

Évek (A.D.)

Hó…(Jan., Feb…)

Napok (Hé., Ke…)

Rátevődő aktivitás-nyugalom ciklusok, szünetek, stb.

+ hetek

SZOCIÁLIS RITMUSOK

Moser M et al.

ébrenlét

alvás

cirkadiánritmus

ciklikusanváltakozó mintázat

A A AB B

1 s

10

0 µ

V

ultradiánritmus

ÉBRENLÉT

REMS1S2S3S4

alvásidő (h)

alvás-ciklus

lassú oszcilláció

up

DOWN

up

AZ ALVÁS:

EGYMÁSBA

ÁGYAZOTT

OSZCILLÁCIÓK

SZIMFÓNIÁJA

alvási orsók

ALVÁSMÉRGEK NYOMÁBAN:

AZ „ŐSKOR”

Tunis 248 órai ébrenlét után

Tunis >500 órai ébrenlét után, a

halál torkában

Clignard 1,5 órával azután, hogy

a cisterna magnajába Tunis liquor

extractumából injektáltak

EGY ÚJABB PRÓBÁLKOZÁS

James Krueger

A KECSKÉK LIQUORÁBÓL KIVONT S-FAKTOR HATÁSA PATKÁNYOK

AKTIVITÁSÁRA

AZ S-FAKTOR: TALÁN INKÁBB ALVÁS-VITAMIN?

Hipnotoxinok átvitele

A BŐSÉG ÉS TÖKÉLETLENSÉG ZAVARA

Piéron kísérlete

Néhány eredmény

•Muramil peptidek IL1β TNFα (Pappenheimer – alvás és immunrendszer)

•SPS (uridin, oxidált glutation) GABA, glutamát (Inoue – alvás és neuronális

restauráció/detoxifikáció)

•Adenozin Ach (Porkka-Heiskanen, Greene - alvás és agyi energiagazdálkodás)

•Prosztaglandin D2 A2A Hth POA n. tuberomammilaris H (Urade)

•Oleamid 5HT7, anandamid (endogén kannabinoid) (Lerner)

•DSIP ? (Schönenberger - elalvás folyamata)

Borbély AA et al. Electroencephalogr Clin Neurophysiol 1981;51:483-93

A KÉT-FOLYAMAT MODELLT MEGALAPOZÓ MEGFIGYELÉSEK:a lassú hullámok kitüntetett szerepe

Alvásciklusonkénti EEG teljesítménysűrűség spektrumok

(NREM) a 4-ik alvásciklushoz képest

40,5 órás ébrenlétet követő első és második éjszakai NREM alvás EEG a megvonás előtti éjszakához képest

Szignifikáns eltérések

Alvásnyomás =

lassú (delta) hullámok

A homeosztatikus

alvásigény az ébrenlét

során egy lassan

telítődőd exponen-

ciálisan függvény szerint

növekszik (S-folyamat),

míg a cirkadián ritmus

nap-közben gátolja,

éjszaka pedig elősegíti

az alvás megjelenését

(C-folyamat). Az alvás a

két tényező eredőjeként

jön létre: a cirkadián

ritmus időzíti az alvást,

míg a homeosztatikus

folyamat annak mély-

ségét (intenzitását)

határozza meg.

Borbély AA. Hum Neurobiol 1982;1:195-204.

AZ ALVÁSSZABÁLYOZÁS BORBÉLY-FÉLE KÉT-FOLYAMAT MODELLJE

Achermann P. & Borbély AA. Front Biosci 2003;8:s683-93.

A KÉT-FOLYAMAT MODELLT ALÁTÁMASZTÓ NÉHÁNY KÍSÉRLETI EREDMÉNY

LASSÚ HULLÁMOK ÉS ALVÁS:

a két-folyamat modell pontosításai és kiegészítései

• Globális vs. lokális jelenségek

• Egységes lassú hullámú aktivitás vs. frekvencia-specifikus lassú hullám altípusok

• Spontán vs. reaktív lassú hullámok

Ifj. Obál Ferenc: James Kruegerrel már 1993-ban megalkották a lokális alvás koncepcióját

Neuroncsoportok alvása

Az alvás statisztikai fogalom

Koordinált csoportok = az organizmus alvása

LEBENYEK ÉS FÉLTEKÉK: a lassú hullámú alvás „egyenetlenségei”

Achermann P. In Borbély AA et al (eds). The regulation of sleep. HFSP, Strasbourg, 2000.

Féltekei dilemmák:

Európai és japán alanyok

Frontális dominancia és agyi érés

Kattler et al. J Sleep Res 1994;3(3):159-64.

A stimulált karral (J) ellenoldali félteke (B) fölött alvásban erőteljesebb delta aktivitás észlelhető (●), a stimuláció nélküli helyzethez képest (○): 100*B/(B+J).

NAPKÖZBENI SZENZOROS STIMULÁCIÓ ÉS LOKÁLIS LASSÚ HULLÁM INTENZITÁS ALVÁSBAN:nem csak az ébren töltött idő számít

Mikroelektródákkal mért kiváltott válaszok

állapotfüggése. Az organizmus állapota néha eltérhet a

kérgi kolumna állapotától.

100 ms

KÉRGI KOLUMNÁK ALVÁSA

MEGOLDÁS A LOKÁLIS ALVÁS REJTÉLYÉRE?SZOMNOGÉN CITOKINEK, MINT AKTIVITÁS-FÜGGŐ POSZTSZINAPTIKUS ÁGENSEK

Krueger JM et al.

Perceptuo-motoros tanulási feladat: rotációs adaptáció

Az alvás előtti tanulás alvás közben lokális delta (1-4 Hz) aktivitásfokozódást váltott ki a tanulás szempontjából releváns agyterületek fölött.

A teljesítményfokozódás mértéke pozitívan korrelált a delta aktivitás lokális növekedésével.

LOKÁLIS LASSÚ HULLÁM INTENZITÁS ALVÁSBAN: a tanulás függvénye

Huber et al Nature 2004

A SZINAPTIKUS HOMEOSZTÁZIS ELMÉLETE

Tononi G, Cirelli C. Sleep Med Rev 2006

AZ ALVÁS HOMEOSZTÁZISA ÉS A LASSÚ HULLÁMOK SZABÁLYOZÁSA:

Az ébren töltött időtől, a használaton át a tanulásig

vagy

AZ ORSÓK ÉS A DELTA HULLÁMOK KELETKEZÉSÉNEK THALAMOCORTICALIS MODELLJE

A thalamocorticalis neuronok reticularis (nucleus

reticularis thalami GABAerg gátló neuronjai)

bemenete gátló hatást fejt ki. Ennek hatására a

thalamocorticalis neuronokban

hiperpolarizációs-rebound tüzelési szekvenciák

alakulnak ki. A közepes szintű hiperpolarizáció

esetén (a thalamocorticalis neuronok membrán

potenciálja) orsózó (7-14 Hz), erőteljesebb

hiperpolarizáció esetén delta (1-4 Hz)

frekvenciájó oszcillációs üzemmód inicializálódik.

A membránpotenciál az agytörzsi cholinerg és a

corticalis inputtól függ. A delta aktivitásnak

ezenkívül és ettől függetlenül kérgi eredete IS

van.

MIRCEA STERIADE ÉS A LASSÚ HULLÁMOK

• A delta hullámok (0,1-4 Hz) celluláris

neurofiziológiai vizsgálata

• A delta hullámok nem képeznek

homogén entitást

• Az 1 Hz alatti komponens

frekvenciaspecifikus és kiemelkedő

jelentőségű: LASSÚ OSZCILLÁCIÓ

1924-2006

AZ ALVÁS EEG-RITMUSAI: KELETKEZÉSÜK FORGATÓKÖNYVE A LASSÚ OSZCILLÁCIÓ TÜKRÉBEN

A delta és az orsó hullámok

szinkronizációja a kéregben

történik, a lassú oszcilláció

intrakortikális konnektivitáson

alapuló szinkronizációja és a

leszálló corticothalamicus pályák

hatása révén. Ma már tudjuk,

hogy a Cx-RE leszálló pálya

dominál a Cx-Th-cx fölött.

AZ ALVÁSNYOMÁS ÉS A

LASSÚ OSZCILLÁCIÓ

MORFOLÓGIÁJA

A hatás valószínű oka:

szinaptikus nyomás ↑

↓ ↓ ↓

Intracorticalis összeköttetések ↑

↓ ↓ ↓

Szinkronizációhoz szükséges idő ↓

& szinkronizációba bevonódó

neuronok száma ↑

↓ ↓ ↓

Hullám-meredekség ↑

& hullám-amplitúdó ↑

INFRALASSÚ, LASSÚ ÉS DELTA AKTIVITÁS

CIKLIKUSAN VÁLTAKOZÓ MINTÁZAT (ULTRALASSÚ VAGY

INFRALASSÚ OSZCILLÁCIÓ?) EEG KÉPE-I: NAGYTOTÁL

A ciklikusan váltakozó mintázat (cyclic alternating pattern – CAP) két fázisa az A és a B fázis. A

fázisban ébredési reakciók (az ábrán paradox delta szinkronizáció), B fázisban pedig a megfelelő

alvásstádium háttértevékenysége figyelhető meg.

INSTANS ALVÁSHOMEOSZTÁZIS ÉS DELTA INJEKCIÓKÁllapotfüggő reaktivitás Kiváltott hiperpolarizációk Delta injekciók (az S időbeli egyenetlenségei)

REAKTÍV HOMEOSZTÁZIS:

Változás utólagos (menet

közbeni) korrekciója

PREDIKTÍV HOMEOSZTÁZIS:

Változás „előrelátása” és az

arra való felkészülés,

előzetes korrekció

PÉLDÁK JÓL ISMERT CIRKADIÁN MARKEREKRE

NAPSZAKFÜGGŐ INGADOZÁSOK EGYES ÉLETTANI MUTATÓKBAN:

nem csak az alvás hatása

NAPSZAKFÜGGÉS - ÁLLAPOTFÜGGÉS

• NAPSZAKFÜGGŐ

• melatonin

• Kortizol

• magtemperatúra

• REM aránya

• ÁLLAPOTFÜGGŐ

• Növekedési hormon

• Disztális testhőmérséklet

• Mély NREM alvás

A BIOLÓGIAI ÓRA LOKALIZÁCIÓJA

SCN lézió cirkadián demoduláció

HELYI IDŐ: In vitro mPER2 expresszió különböző központi idegrendszeri preparátumokban

Transzkripciós-feedback modell

A FÉNY MELATONIN-

FELSZABADULÁST

GÁTLÓ HATÁSA

Macchi MM, Bruce JN. Front Neuroendocrinology 2004

Per1 ↑↑↑

Reppert SM, Weaver DR. Nature 2002

A FÉNY, A MELATONI ÉS AZ SCN KÖLCSÖNHATÁSAI

Pace-Schott EP, Hobson JA. Nat Rev Neurosci 2002;3:591-605.

SLEEP CYCLE BASICS

EEG

Hypnogram

Eye movement

Sleep stages

Blood pressure

Breaths

Pulse

Movements

A LSSÚ HULLÁMÚ TEVÉKENYSÉG, MINT A REM ALVÁS ELLENPÓLUSA: A KÖLCSÖNÖS INTERAKCIÓ HIPOTÉZISE ÉS EGY „ÖKOLÓGIAI EGYENLET”

A REM-off és a REM-on neuronok

interakciója generálja a REM alvás

periódikus megjelenését és ezzel

összefüggésben a lassú hullámú

tevékenység acetilkolin általi gátlását („kérgi

deszinkronizáció”).

a, c – REM-on ill. REM-off időzítési paraméterekb, d – REM-on és REM-off interakció paraméterei

Koli

ner

g s

erk

enté

s

Koli

ner

g s

erk

enté

s

Ébrenlét Alvás REM

Szenzoros

élményekÉlénkek, külsőleg generáltak Tompák vagy hiányoznak Élénkek, belsőleg generáltak

Gondolkodás Logikus, progresszív Logikus, perszeveratív Illogikus, bizarr

Mozgás Folyamatos, akaratlagos Epizódikus, akaratlanKözponti parancs végrehajtás

nélkül

Noradrenerg

és szerotoninerg

rendszerek

Kolinerg

rendszer

EEG EOG EMG x 5

1

2

3

NREM

Am

iner

g b

efoly

ás

4

100 µV

1 s

A REM-on és a REM-off

rendszer kölcsönhatásának

részletes szemléltetése. A

gamma aminovajsav (GABA)

felelős a REM-off rendszer

REM alvás alatti

működéskimaradásáért. A

noradrenalin (NA) serkenti a

szerotonin (5-HT) neuronokat.

Az agytörzsi retikuláris

rendszer (BRF) a locus

coeruleus alphával (LCα) az itt

termelődő glutamát pedig az

aszpartámmal (AS) egészült ki.

A GABAerg input forrásai:

substantia nigra pars reticularis

(SNpr), periaqueductalis

szürke állomány (PAG),

dorzális paragigantocelluláris

nucleus (DPGi).

A KÖLCSÖNÖS INTERAKCIÓ ELMÉLETÉNEK KITERJESZTÉSE

LIMITÁLT CIKLUS ÉS KÖLCSÖNÖS

INTERAKCIÓK

•A lassú hullámú tevékenység REM-on

neuronok általi periodikus gátlása

•Mikroperturbációk a lassú hullámú

tevékenységben

•Cirkadián hatások a REM-hosszban

•Környezeti, kognitív emocionális hatások

→ REM-off↑

Ébresztőrendszerek az agyban: TMN HIST(nucleus tuberomammilaris-hisztamin), Raphé 5-HT (szerotoninerg raphé magok), LC NA (locuscoeruleus noradrenalin), PPT Ach(pedunculopontin tegmentalis nucleus-acetilkolin), LDT Ach (laterodorsalis tegmentalisnucleus-acetilkolin). Alvás alatt aktív neuronok:VLPO GABA Gal (ventrolateralis preopticus area-gamma aminovajsav, galanin)

Az alvás alatt aktív neurális rendszer(alváskeltő struktúra) a ventrolateralispreopticus areában gátolja az agyébresztőrendszereit.

ÉBRESZTŐ ÉS ALVÁSKELTŐ RENDSZEREK: A HYPOTHALAMUS SZEREPE

AZ ÉBRENLÉT FINOMHANGOLÁSA HYPOCRETIN (OREXIN) ÉS EGYÉB NEUROTRANSZMITTEREK ÁLTAL

HC – hypocretin (orexin)

GLU – glutamát

GABA – gamma aminovajsav

HIST – hisztamin

ACH – acetilkolin

5-HT –szerotonin

NE - norepinefrin

AZ ALVÁSI ORSÓK

- Védik az alvást

- Rögzítik az emlékeket/integrálják a tudást (sémák)

A thalamocorticalis rendszer működésmódja az egyes alvás-ébrenlét állapotokban: tónusos (ébrenlétben) és burst-jellegű (NREM alvásban ill. ált. anesztéziában)

ORSÓ-GENEZIS

HIERARCHIKUS FÁZIS-KAPCSOLTSÁG: ORSÓ-FODOR

ÖSSZEGZÉS

• Az alvásszabályozásban részt vevő idegrendszeri struktúrák sokfélesége

• Többszintű szabályozásra

• Képlékeny mechanizmusokra

• Egymást fölülíró rendszerekre

• Tapasztalás-függő folyamatokra

enged következtetni.

Az ember alvása részben ébrenlétét tükrözi.