Питер Шпорк - Сон. Почему мы спим и как нам это лучше всего удается
Совершенно особую роль играет сон в процессе роста. Не приходится удивляться, что почти у всех высших животных новорожденные спят значительно больше, чем взрослые особи. Малыши должны расти, их организм порождает новые клетки в великом множестве не только для замены старых, больных, отслуживших свой срок клеток. Дефицит сна у детей может вызвать нарушения роста, что явно подтверждает: образование и рост новых клеток — одна из основных функций сна.
Сон особенно важен для созревания мозга. У новорожденных и грудных детей нервные клетки в огромном количестве дают отростки — аксоны, которые в свою очередь активно устанавливают новые контакты с соседями. Без этого невозможно запечатление новых взаимосвязей и различение важного и неважного, то есть обучение. Если какие-то участки мозга в этой чувствительной фазе оказываются невостребованными, они хиреют, поскольку их работа, очевидно, не нужна данному индивиду в его специфической окружающей среде. Мозг предпочитает в этом случае приберечь свои ограниченные возможности для других задач.
В одном из экспериментов исследователи, например, закрывали детенышам животных один глаз повязкой. В результате у подопытных деградировали нервные клетки на участке мозга, предназначенном для обработки впечатлений, поступающих от этого глаза. В этой адаптации созревающего мозга сон, видимо, также играет важнейшую роль. Американский нейробиолог Маркос Фрэнк из Пенсильванского университета доказал в 2001 г., что эффект деградации неиспользуемых контактов в мозге усиливается вдвое, если животные спали после того, как глаз был отгорожен от внешних импульсов. «Сон в раннем возрасте играет важнейшую роль в развитии мозга», — заключает исследователь. По его мнению, сон значительно поддерживает пластичность молодого мозга, а скорее всего, является ее необходимым условием.
Этим, наверное, и объясняется тот факт, что даже у дрозофил молодые особи спят больше, чем взрослые — после окукливания они уже не увеличиваются в размерах, но нуждаются в более продолжительном сне, судя по всему, не для физического, а для интеллектуального роста.
Просыпаться, чтобы спать
Гипотеза о сне как природном способе по экономии энергии связана с зимней спячкой. У летучих мышей, сурков, хомяков и других животных, засыпающих на зиму, обмен веществ падает до минимума. Температура тела понижается почти до нуля, дыхание и пульс становятся очень редкими. В результате животные тратят лишь 1/50 часть энергии, необходимой им в состоянии бодрствования. В надежном укрытии за счет предварительно накопленного жира они переносят таким образом суровую зиму. Если бы животные бодрствовали, им все равно не удалось бы найти пропитание — и скорее всего, они пали бы жертвой первого голодного хищника.
На первый взгляд зимняя спячка очень похожа на настоящий сон. На самом деле это настолько экстремальное и одностороннее состояние, что оно несовместимо с другими, активными задачами сна — очевидно, необходимыми для выживания. Только так ученые могут объяснить курьезный факт: во время зимней спячки звери раз в несколько недель выходят из состояния оцепенения, их организм с огромными затратами энергии возвращается на несколько часов к рабочим температурам — и все это с единственной целью: поспать! Ведь «проснувшиеся» от спячки животные большую часть этого времени спят. Сон этот особенно глубок, причем его глубина зависит от того, сколько времени продолжался предшествующий период спячки. Очевидно, зимняя спячка вызывает у зверей дефицит сна, который становится в какой-то момент настолько острым, что приходится временно прерывать состояние сниженного обмена веществ.
Какова бы ни была причина, заставляющая животных выходить из зимней спячки, она представляет собой нечто, с чем организм не может справиться в состоянии полного охлаждения и минимального снабжения энергией. Это должен быть активный физиологический процесс, обычно происходящий во сне — и, несомненно, прямо связанный с тем, почему сон так важен для всех живых существ.
По некоторым признакам именно процессы, происходящие в мозге во время глубокого сна, заставляют животных даже во время зимней спячки проводить некоторое время во сне при нормальной температуре тела. Во всяком случае, исследователям удалось обнаружить, что мозг животных в такие периоды порождает тем больше волн глубокого сна, чем дольше продолжалась перед этим непрерывная спячка.
Но чем же занят мозг, когда порождает дельта-волны? Свой ответ на этот вопрос предложили за последние годы сразу несколько ученых. Их модели работы спящего мозга очень интересны и в целом значительно прогрессивны.
Спать для мозга
«Sleep is of the brain, by the brain and for the brain, — пишет бостонский сомнолог Аллен Хобсон. — Сон исходит от мозга, создается мозгом и служит мозгу». Это полемическое утверждение он обосновывает тем, что наиболее убедительные ответы на вопрос о смысле сна дает именно нейробиология.
Сегодня мы знаем, говорит Хобсон, что в начале сна примерно столько же нейронов повышает свою активность, сколько и понижает.
«Даже в фазе МС, когда сознание может быть полностью отключено, мозг остается показательно активным». Нейробиологи все пристальнее наблюдают за тем, что происходит в спящем мозге: благодаря ЭЭГ высокого разрешения, регистрирующей с помощью множества электродов активность коры больших полушарий, они вышли на след феномена локального сна. Сейчас у испытуемых в лаборатории сна снимают даже магнитно-резонансную томограмму, чтобы запечатлеть на снимке, какие части мозга трудятся в данный момент больше, а какие меньше.
Наблюдая за работой спящего мозга, ученые обнаружили, что большой мозг несколько снижает обороты, когда мы находимся в бессознательном состоянии, но есть и такие нервные центры — прежде всего, в промежуточном мозге и стволе мозга — которые в момент засыпания, напротив, особенно активны. Специалисты сразу видят по снимкам, бодрствует человек, погружен в глубокий сон или в БС. Три эти состояния соответствуют трем разным моделям электрической активности мозга. Предполагается, что мозг в каждом из этих состояний выполняет разные, специфические задачи.
Многое указывает на то, что наш мозг во сне занят работой по консолидации: закрепляет воспринятое в состоянии бодрствования. Правда, ученые пока не знают, как именно происходит запоминание. Кроме того, сейчас идет спор о том, для всех ли видов животных память одинаково важна, а также о том, могут ли процессы консолидации протекать и в состоянии бодрствования, если мозг достаточно спокоен.
Бесспорно одно: мозг во сне работает — и затрачивает при этом огромное количество энергии. Ученые обнаружили, что даже во время глубокого сна, когда большая часть нейронов большого мозга ведет себя особенно спокойно, их активность составляет 80% от бодрствующего состояния. Дело, которым они заняты в это время, по крайней мере у высших животных и человека должно быть одной из важнейших причин потребности в сне. Ведь клетки большого мозга, изолированные в тканевой культуре, самопроизвольно впадают в стадию глубокого сна, если им достаточно долго не давать спать.
Сомнологи из Мэдисона Джулио Тонони и Кьяра Чирелли представили в 2003 г. модель задач легкого и глубокого сна, которая прекрасно согласует прежние наблюдения над активностью спящего мозга с экспериментами по консолидации памяти во сне и соображениям о гомеостатической регуляции необходимой продолжительности сна. Когда мы бодрствуем, учимся, узнаем что-то, между нейронами постоянно возникают новые энергозатратные контактные зоны, так называемые синапсы, а уже существующие укрепляются. «В основе обучения лежат стойкие изменения в силе и количестве синаптических связей между нейронами, управляемые сложными каскадами событий на клеточном уровне», — пишут Тонони и Чирелли.
Без этой пластичности мозга, особенно выраженной у новорожденных и маленьких детей, обучение было бы вообще невозможно, поскольку оно состоит именно в выстраивании новых ассоциативных сетей, позволяющих впоследствии снова вызвать воспоминание. Во сне с этой пластичной, постоянно меняющейся нервной системой явно что-то происходит. Тонони и Чирелли подозревают, что лишь малая часть новых и подкрепленных нейронных связей действительно важна и нуждается в долгосрочном сохранении. Но поскольку каждый из синапсов — в том числе и неважные — затрачивает массу биохимических веществ и энергии, в течение продолжительного бодрствования накапливается потребность в упрощении все более сложного сплетения ассоциативных связей в мозге. Постепенно переполняемый синапсами мозг вносит свой вклад в гомеостатическую компоненту S, которая вызывает растущую сонливость по мере длительного бодрствования. Ученые говорят о «синаптической нагрузке».
