В каком выпуске загадки человечества про сон

Аудиоверсия материала:

Студенты-нейробиологи очень радуются, когда на экзамене попадается билет про сон. Разговор с экзаменатором выглядит следующим образом:

— Что такое сон?

— Не знаю.

— Каковы функции сна?

— Не знаю.

— Почему сон сохранился в ходе эволюции?

— Не знаю.

— Отлично, давайте зачетку. Вы ответили слово в слово то, что написано в учебнике.

С этих исходных позиций мы и начнем нашу лекцию. Есть основания надеяться, что к ее концу вы будете знать про сон даже меньше, чем до того, как сюда пришли.

1. Как сон сохранился за миллионы лет эволюции?

Сон — большая эволюционная загадка. Очевидно, что если лежать с закрытыми глазами и не реагировать на окружающее, это сильно повышает риск быть съеденным. Если бы существовала хоть какая-то возможность обойтись без сна, организм, овладевший этим навыком, мог бы получить серьезное конкурентное преимущество. И тем не менее такого организма, кажется, не существует.

Мы точно знаем, что спят все млекопитающие, и, по всей видимости, все позвоночные. У беспозвоночных, — червяков и мух, — нет сна в нашем понимании, потому что нет мозга, но есть суточные циклы повышенной и пониженной активности. При этом есть явные свидетельства, что продолжительность сна — предмет постоянного торга между требованиями безопасности и загадочной непреодолимой потребностью нервной системы. Травоядные животные, постоянно живущие под угрозой нападения хищника, спят очень мало (лошадь, например, спит два с половиной часа в сутки, причем большую часть сна она может стоять на ногах, и предпочитает спать в окружении своих бодрствующих соплеменников). С другой стороны, лев спит восемнадцать часов в сутки. Зачем так долго? Затем, что он может себе это позволить.

Сложнее всего спать тем, кто живет в воде, но и они нашли выход из положения. Дельфин, к примеру, обычно спит двумя полушариями мозга поочередно. При этом дельфины не прочь поспать двумя полушариями одновременно, однако не могут делать это долго, потому что надо просыпаться и дышать. Долгое время считалось, что акулы не спят вообще из-за строения дыхательной системы: им нужно постоянно плавать, чтобы вода попадала в жабры и происходил газообмен. Позже дайверы обнаружили, что акулы любят ложиться на самое дно, где есть потоки воды, в которых они неподвижно лежат, чтобы вода промывала их жабры, и спят.

Отсюда очевидно, что, по-видимому, сон — принципиально важная часть функционирования нервной системы. Тем не менее ученые пока имеют довольно смутное представление о том, почему он настолько необходим.

2. Из чего состоит сон?

У всех млекопитающих сон делится примерно на одни и те же стадии. Они чередуются на протяжении ночи, каждый цикл — в случае человека — занимает около полутора часов. Начало цикла — медленно-волновой сон. В это время человек спит все глубже, волны энцефалограммы становятся медленнее, падает температура тела, частота дыхания и сердечных сокращений. Если в этот момент нас разбудить, мы не вспомним, что снилось, или расскажем, что это было что-то спокойное и неинтересное. На этой стадии мышцы не блокируются и мы можем впадать в состояние лунатизма, ворочаться, пинаться и разговаривать.

После четырех стадий медленного сна картина ЭЭГ резко меняется и становится почти неотличима от энцефалограммы бодрствующего человека. Это REM-фаза (стадия быстрых движений глаз). Она сопровождается сонным параличом (подавлена активность всех мышц, мозг не посылает к ним сигналов). Частота сердечных сокращений повышается, мозг активно работает, человеку снятся яркие сны.

Соотношение стадий меняется с течением ночи. В начале глубокий сон длится долго, до двух часов, а фаза быстрого сна может быть очень короткой. К утру соотношение меняется: мы видим много снов.

Медленный сон очень важен: если не позволять животным спать глубоким сном, то они умирают. Быстрый сон, по-видимому, не так важен: если во время него не давать спать, то животные остаются в живых и поведение остается более-менее нормальным.

3. Сколько надо спать?

За три месяца до рождения ребенок проводит практически все время в стадии REM-сна. Новорожденный может спать по двадцать часов в сутки, и значительную часть этого времени по-прежнему занимает фаза быстрого сна. С возрастом количество быстрого сна у человека снижается. По-видимому, он очень важен именно для развития мозга. Известно, что если постоянно будить взрослую крысу в стадии быстрых движений глаз, то она живет нормально, а если будить крысиного младенца, у него появляются нарушения в развитии мозга, уменьшается масса тела, возникают поведенческие аномалии.

Когда мы находимся на стадии быстрого сна, нам легче просыпаться и не чувствовать себя разбитым. Поэтому, если времени на сон нет, то имеет смысл спать столько, чтобы продолжительность сна была кратна полутора-двум часам: тогда ваш мозг успеет завершить цикл, и пробуждение придется на REM-фазу. Понятно, что есть индивидуальные отличия, которые зависят от образа жизни и степени усталости. Существуют специальные будильники, которые отслеживают время, когда мы ворочаемся, подсчитывают пульс, частоту сердечных сокращений, чтобы знать, во сколько разбудить. Но эти приборы могут давать сбои. В идеале нужно спать с электродами на голове, а такие будильники пока не продаются.

4. Почему нам снятся неприличные сны?

Благодаря добровольцам, которые умудрялись засыпать в томографе, мы знаем, что во время REM-сна подавлена активность дорзолатеральной префронтальной коры. Это, по сути, та часть мозга, которой мы думаем. Она необходима для критического мышления, для силы воли, соблюдения общепринятых правил. А вот лимбическая система, отвечающая за эмоции, мотивацию и всякие бестолковые желания, во время быстрого сна, наоборот, очень активна. Таким образом, из наших утренних снов мы можем узнать, каким ужасным было бы наше поведение, если бы кора не контролировала ежеминутно низменные порывы нашей лимбической системы.

5. Что бывает, если не спать?

Если крысе не давать спать, с ней начинают происходить странные вещи: она лишается способности контролировать температуру тела, начинаются вирусные инфекции и общее ослабление иммунной системы, возрастает потребление пищи и снижается вес. Через две с половиной недели такой жизни крыса умирает, и ученые до сих пор не могут понять, почему это происходит.

С людьми такие жестокие эксперименты никто не ставит, однако всегда есть возможность тестировать добровольцев, которые лишаются сна на короткий срок. Кроме того, исследуют представителей профессий, вынужденных долгое время ограничивать себя в сне. Оказывается, что у невыспавшегося человека снижается объем рабочей памяти, внимательность. По данным Американской академии сна, около ста тысяч аварий в год в США связаны с тем, что люди выехали на дорогу невыспавшимися, порядка двух тысяч людей в этих авариях гибнут. Сонный водитель может нормально вести машину в штатной ситуации, но если вдруг происходит что-то, что требует резкого принятия решения, то столкновение неизбежно, потому что реакция замедленная.

Если лишенные сна крысы теряют массу тела, то у людей, напротив, она повышается. Это может быть связано с особенностями метаболизма: снижается чувствительность к инсулину. В норме, когда мы поели, инсулин сообщает клеткам, что они могут использовать поступивший в кровь сахар. Из-за нарушения сна клетки менее чувствительны к инсулиновым сигналам: в крови сахар есть, но клетки не могут эффективно его использовать. При самом скверном сценарии может развиться диабет второго типа.

Лишение сна приводит к нарушениям иммунитета. Есть эксперименты, в которых людей вакцинировали от гриппа или от кори, и выяснили, что у тех, кто не высыпается, антитела в крови появляются медленнее и в меньшей концентрации. При лишении сна возможно усиление работы надпочечников и, как следствие, повышение уровня гормонов стресса, а они, в свою очередь, влияют на развитие сердечно-сосудистых заболеваний и вызывают нарушения иммунитета, в том числе негативно влияют на функции тех иммунных клеток, которые нужны для борьбы со злокачественными опухолями.

6. Зачем нужно спать?

Существует множество теорий. Скорее всего, как это часто бывает в биологии, каждая из них верна отчасти, но не объясняет всё.

Первоначально сон мог возникнуть в ходе эволюции просто как экологическое, поведенческое приспособление. Он позволяет экономить силы, и это может оказаться выгодным, если вы все равно не можете эффективно охотиться в это время суток (например, вам слишком темно или слишком жарко). Но понятно, что функции сна на этом не заканчиваются.

Вторая группа теорий — физиологические: сон рассматривается как состояние, необходимое для поддержания здоровья, для профилактического ремонта и настройки внутренних органов. Например, у многих гормонов есть суточные ритмы, часто связанные с циклом сон — бодрствование. Именно во сне активно вырабатывается гормон роста, отвечающий не только за развитие скелета человека, но и рост мышц и быстрое заживление ран.

Третья группа причин — нейробиологические: раз уж мы спим мозгом, значит, именно мозгу-то сон и нужен в первую очередь. Сегодня более или менее общепризнанно, что одна из ключевых функций сна — это обработка информации, полученной за день, консолидация воспоминаний, их перевод из кратковременной памяти в долговременную.

За последние годы нейробиологи много узнали о том, как работает память. Кратковременная память — это усиление контакта между нейронами, которые работают вместе при выполнении одной и той же задачи, а долговременная — образование новых синапсов между ними. Когда вы осваиваете какой-нибудь моторный навык, например учитесь играть на гитаре, вашему мозгу сначала все равно, какие именно струны зажимать, но со временем брать правильный аккорд становится физически проще, чем неправильный, потому что для этого действия уже сформированы нейронные связи, проторенные дорожки в мозге. Чем чаще мы практикуем какое-нибудь действие, тем проще нейронам активироваться вместе.

Существует огромное количество экспериментов, которые демонстрируют, как важен сон для обучения. Если испытуемые что-нибудь выучили, а потом хотя бы ненадолго уснули, то, проснувшись, они воспроизведут новый навык лучше, чем те, кто в это время не спал. Во время сна мозг занят делом: он вызывает заново те впечатления, которые получил на протяжении дня. Видимо, он делает это для того, чтобы выращивать себе новые синапсы в тех местах, где это оказалось важным, пока его ничего не отвлекает. Предполагается, что во время медленного сна мы заново прокручиваем дневные впечатления и записываем их в памяти, а во время быстрого происходит стабилизация выученного.

В 2006 году немецкий нейробиолог Лиза Маршалл использовала транскраниальную стимуляцию слабым постоянным током, чтобы сделать медленные волны во время сна еще более медленными. Участвовали две группы: одни получали стимуляцию, вторым прикрепляли на голову неработающие электроды. Перед сном испытуемые запоминали пары слов, и после пробуждения первая группа вспомнила в среднем на пять пар слов больше, чем те, кто не получал стимуляцию. Сейчас доктор Маршалл работает с пожилыми людьми, проявляющими признаки старческой деменции. Результаты показывают, что память у них улучшается. Лиза Маршалл предполагает, что проблемы с памятью связаны с нарушением сна — у пожилых людей фаза медленного сна менее глубокая и продолжительная.

В последние годы накапливаются данные о том, что формирование памяти — это не только рост новых синапсов, но и избавление от тех синапсов, которые не понадобились. В журнале Science только что вышла красивая работа, авторы которой использовали трехмерную микроскопию, чтобы разглядеть конкретные нейроны и измерить площадь синапсов. Использовались три группы мышей: первая выспалась, вторая не спала шесть часов, потому что они не хотели, третьей не дали спать. Удалось показать, что у первой группы мышей площадь поверхности синапсов снижается на восемнадцать процентов — это очень много. При этом уменьшались в первую очередь те синапсы, площадь которых и до этого была небольшой, а вот самые крупные синапсы остались практически неизменными, — возможно, это как раз те синапсы, которые участвовали в сохранении важной для мышей информации.

Получается, что сон нужен не столько для роста синапсов, сколько для избавления от тех, которые не нужны. Мы в течение дня проходим через огромное количество событий и впечатлений, которые нет необходимости помнить: дорогу на работу, людей в метро. Каждое запечатлеваемое в памяти событие требует своих нейронных связей. И, наверное, если бы синапсы каждый день только росли и росли, для них могло бы буквально закончиться место в черепной коробке, или по крайней мере стало бы очень сложно оперировать этими огромными массивами бесполезной информации. Поэтому мозг засыпает — и сортирует ту информацию, которая накопилась в течение дня, укрепляя важные синапсы и избавляясь от ненужных.

В последние годы развивается еще одна очень интересная гипотеза — о том, что сон нужен для «промывки мозгов» в буквальном смысле. Майкен Недергаард и ее коллеги несколько лет назад выяснили, что во время сна в мозге увеличивается объем межклеточного пространства, и туда приливает спинномозговая жидкость. Они предложили термин «глимфатическая система», это игра слов, комбинация терминов «глия» (вспомогательные клетки мозга) и «лимфатическая система», и последние пять лет эту систему интенсивно изучают, в частности, показали, что биохимический состав межклеточной жидкости во время сна довольно серьезно изменяется по сравнению с тем, что происходит во время бодрствования. А ведь от баланса ионов в межклеточной жидкости в принципе зависит способность мозга передавать сигналы. То есть похоже, что сон — это принципиально другое функциональное состояние мозга, необходимое для того, чтобы он мог прийти в порядок, восстановиться в процессе активной очистки.