Мозг во сне. Что происходит с мозгом, пока мы спим - Рок Андреа
Подобно Мэтью Уилсону, Марголиаш искал ответы, изучая поведение животных, и обнаружил, что птицы во сне заново проигрывают и усовершенствуют брачные песни своего вида — совсем как крысы, которые во сне повторяли путь по лабиринту. Марголиаш изучал зебровых амадин [23], крохотных птичек, которые учат свои песни, имитируя пение взрослых особей. «Постоянно повторять свою песню и слушать себя нужно не только молодым особям, тем, кто только ее разучивает, — взрослые особи также ее повторяют, чтобы поддерживать правильное исполнение. Людям тоже необходимо регулярно слышать звучание собственного голоса, иначе качество их речи понижается, подобно тому как изменяется звучание речи у тех, кто во взрослом возрасте потерял слух», — объясняет Марголиаш.
Прежде ученые считали, что обратная слуховая связь, необходимая птицам для того, чтобы поддерживать свое пение в форме, происходит, когда птица по-настоящему поет, в период бодрствования, но, когда Марголиаш записал сигналы от нейронов, ответственных за пение, поступающие и в период бодрствования, и во сне, он обнаружил нечто совершенно неожиданное: и в период бодрствования, когда птица действительно пела, и во сне был задействован один и тот же паттерн импульсов. Поначалу исследователи обнаружили, что этот паттерн импульсов воспроизводился, когда спящей птице проигрывалась запись ее пения, но потом они увидели этот же паттерн импульсов и когда запись не звучала, а это означало, что во сне, особенно в стадии медленного сна, птица повторяла и повторяла свою песню.
Однако же если во время сна птицы звуковые сигналы, ассоциирующиеся с повторными исполнениями песни, свободно перетекали между областями мозга, ответственными за пение, то по пробуждении эта слуховая обратная связь прерывалась, как будто опускался какой-то барьер.
Основываясь на этих данных, Марголиаш высказал гипотезу, что зебровые амадины подстраивают, совершенствуют исполнение своей песни не тогда, когда они ее действительно поют, а накапливая обратные слуховые сигналы в том участке птичьего мозга, который эквивалентен гиппокампу, чтобы проигрывать их во сне, — таким образом как бы автономно настраивая сети ответственных за пение нейронов. То есть он предположил, что нервным системам и людей, и животных трудно модифицировать себя в то время, когда они поют на самом деле или, в случае с людьми, например, разучивают новый гимнастический элемент.
Марголиаш — а он из тех людей, кто не склонен принимать себя слишком уж серьезно, что видно уже по тому, что его электронный адрес начинается словом bigbird [24], — говорит, что поначалу сам скептически отнесся к собственной гипотезе о том, что птичья песня воспроизводится и настраивается именно во сне, потому что она показалась ему «несколько странноватой». Но теперь и он поверил растущему количеству свидетельств того, что и богатый сновидениями период быстрого сна, и период медленного сна играют незаменимую роль в процессе обучения. И данные эти получены не только в его лаборатории, но и в других исследовательских центрах во всем мире.
Научное предположение о том, что хороший сон улучшает человеческую способность к обучению, впервые появилось в докладе, опубликованном в 1924 году, но результаты экспериментов, проводившихся после того, как в 1950-х была открыта фаза REM, подвергли это предположение большим сомнениям. Экспериментаторы требовали, чтобы испытуемые учили разного рода факты, вроде запоминания пар слов, не имеющих между собой никакой явной связи, типа «корова — лестница». После чего мешали людям спать и проверяли, влияет ли отсутствие сна на результаты. Никакого влияния не было, и поэтому исследователи пришли к ошибочному выводу, что связи между сном и обучением тоже не существует.
Но потом ученые все-таки обнаружили, что различные стадии сна предназначены для различных типов обучения, — об этом мне рассказал Карлайл Смит, который еще в 1970-х начал изучать связь между обучением и сном. Карлайл Смит принадлежит к тому поколению американских исследователей сновидений, которые отправились во Францию работать в лаборатории пионера этой области науки Мишеля Жуве.
«Мы целый месяц выпиливали брусочки, из которых строили лабиринт для мышей, а потом в течение десяти дней круглосуточно записывали их мозговую деятельность. Те мыши, которые проявляли бо́льшую сообразительность в беге по лабиринту, демонстрировали и бо́льшую мозговую активность в фазе REM, — вспоминает Смит, ныне профессор психологии Университета Трент в канадском городе Питерборо. — Сам-то я никогда не сомневался в том, что сон и обучение связаны между собой, но теперь накопилось достаточно данных, чтобы этим вопросом заинтересовались и другие».
Постоянно накапливаемые данные исследований Смита и других помогли объяснить, как именно влияют на обучение сновидения и другие когнитивные процессы на разных стадиях сна. Вскоре после засыпания мы входим в стадию легкого сна, известную как стадия II, и, похоже, именно эта фаза ответственна за совершенствование новых навыков у музыкантов, спортсменов и танцоров, причем это наступает через день или два после первого знакомства и тренировки этого навыка.
В 2002 году ученый из Гарварда Мэтью Уокер провел исследование, в результате которого обнаружил, что 20 процентов улучшения моторных навыков усваиваются в том случае, если испытуемые входили в стадию II в последние два часа перед утренним пробуждением. «Чтобы получить максимальную пользу от тренировки или упражнений, когда вы осваиваете что-то новое в избранном виде спорта или в игре на музыкальном инструменте, вы должны хорошенько выспаться хотя бы в первую ночь после первоначального освоения этого нового навыка, чтобы не пропустить финальный период стадии II, наступающий незадолго до пробуждения», — считает Смит.
Вслед за стадией II наступает стадия глубокого медленного сна, предшествующая быстрому сну. Медленный сон занимает 80 процентов первой половины всего времени ночного отдыха. Во время второй половины ночного сна доля REM резко возрастает, чередуясь со стадией II.
Медленный сон важен для освоения задач, связанных с фактической памятью, например с зазубриванием дат для экзамена по истории. А вот насыщенный сновидениями быстрый сон, напротив, необходим для освоения того, что связано с процедурной памятью — с тем, каким образом что-то делается, в том числе и с освоением новых поведенческих стратегий. Исследования показали, что доля REM в первую ночь после тренировки таких задач возрастает, и если испытуемого в эту ночь намеренно лишить фазы REM, то на следующий день качество выполнения этих задач резко падает.
В 1994 году группа израильских ученых под руководством Ави Карни и Дова Саги провела ставшее широко известным исследование по выполнению задач, связанных с визуальным различением: испытуемые должны были определить форму заполненной полосами области, вспыхивающей на экране компьютера на определенном тестовом фоне. Они обнаружили, что скорость выполнения этой задачи по процедурному обучению возрастала не во время тренировки, но через восемь часов после ее завершения. Если при этом испытуемых будили во время фазы REM, у них не получалось освоить эту задачу, а вот если их будили во время медленного сна, выполнение ее никоим образом не ухудшалось.
После этого другие ученые не раз использовали эту израильскую методику и пришли к выводу, что для оптимального обучения необходима комбинация обоих типов сна, не только REM. Одно из исследований указывает на то, что выполнение новых задач в значительной мере улучшается, если мы получаем достаточную долю медленного сна в первую четверть ночи и достаточную долю сна быстрого — в последнюю четверть. Мэтью Уилсон обнаружил, что это же касается и крыс, и предположил, что во время медленного сна следы памяти удерживаются в гиппокампе для того, чтобы пройти необходимую обработку позднее, во время сна со сновидениями, в особенности во время фаз REM, наступающих во вторую половину ночи. Во время этих поздних стадий REM гиппокамп и соответствующие структуры лимбической системы, такие как миндалевидное тело (которое обрабатывает эмоциональную информацию), обмениваются данными с высокоуровневыми центрами в неокортексе, таким образом усиливая память и закрепляя усвоение.
