Нейрофизиологические и биохимические исследования по проблеме сна вначале касались механизмов сна как такового, безотносительно к времени. Эти работы, подробно рассмотренные в других обзорах, показали, что сон является активным нервным процессом. Например, импульсация нейронов во время сна не прекращается и ее частота в некоторых областях мозга на определенных стадиях сна может даже быть выше, чем в период бодрствования. Главные анатомические области, участвующие в регуляции сна и бодрствования, — это, видимо, шовный комплекс ядер, locus coeruleus, активирующая ретикулярная формация, диффузная таламическая система, преоптическая зона таламуса, area postrema, ядра одиночного тракта.
В последние 10 лет проводилось много исследований относительно роли различных нейромедиаторов в регуляции сна. Особое внимание привлекали биогенные амины. Однако их роль в связи со сном еще далеко не ясна. Было высказано предположение, что важным нейромедиатором в системе сна служит серотонин — об этом говорили результаты исследований на кошках [46, 47, 48]. Работы, проведенные на крысах, с более специфическими воздействиями на серотонинэргическую систему дали отрицательные результаты и всерьез поставили под сомнение серотонинэргическую теорию сна [12, 92]. Важную роль в механизмах быстрого сна приписывали катехоламинам, особенно норадреналину.
Ацетилхолин тоже связывали с процессами сна. Известно, что его введение во многие участки центральной нервной системы вызывает сон [36], однако такое отсутствие анатомической специфичности затрудняет выяснение роли ацетилхолина у нормальных животных. Более поздние работы указывали на его связь со етадией БДГ [29, 41]. Исследовали также роль нейропептидов и других нейромедиаторов [29, 49], но во всех случаях упор делался на механизмы отдельных составляющих реакции сна, а не на время их осуществления. Поэтому роль нейрохимических процессов в определении времени сна остается пока не изученной.
Некоторый свет на механизмы, определяющие время сна, пролили эксперименты с повреждением мозга. Процессы, контролирующие циркадианное распределение сна, видимо, не зависят от целости механизмов сна, локализованных в стволе мозга. Разрушение переднего и среднего шовных ядер, приводящее к сокращению общего времени сна до 3,5% его нормальной длительности, не нарушает нормального циркадианного распределения оставшегося времени сна [48].
Важным центром, определяющим многие ритмы, является гипоталамус. Стефен и Цукер [103] сообщили, что повреждение супрахиазменных ядер гипоталамуса уничтожает ритмы активности и потребления воды у крыс. В других исследованиях была показана возможная роль этих ядер как центров, задающих ритмы активности ацетилсеротонин-метилтрансферазы в эпифизе [73], гипоталамо-гипофизарной регуляции работы надпочечников [71], секреции лютеинизирующего гормона [13], потребления пищи [80], температуры мозга [102], частоты сердечных сокращений [95], цикличности эструса [106] и ряда других ритмов. Эти результаты позволяют думать, что супрахиазменные ядра играют ключевую роль в циркадианной системе млекопитающих.
Во всех исследованиях оказалось, что ритмы медленно-волнового и парадоксального сна у животных с поврежденными супрахиазменными ядрами сглажены даже при наличии световых циклов. Пока не известно, играют ли эти ядра роль центрального осциллятора, связующего механизма или же выполняют какую-то иную, более сложную функцию. Неясны также анатомические и физиологические связи между этими ядрами и различными циркадианными ритмами, включая ритм сна. Однако установлено, что для захватывания таких ритмов световыми циклами необходимы прямые ретиногипоталамические связи.
Помимо суирахиазменных ядер некоторую роль в образовании ритма сна играет эпифиз. Мурэ и др. [79] сообщили, что удаление эпифиза у крыс приводит к увеличению доли парадоксального сна в темное время суток и ее уменьшению в светлое время, тогда как медленно-волновой сон остается без изменений. Таким образом, не исключено, что эпифиз участвует в задании циркадианного ритма парадоксального сна и его фазовых отношений с медленно-волновым сном.