Питер Шпорк - Сон. Почему мы спим и как нам это лучше всего удается

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».

В конце концов мозг поддается растущей потребности и погружается в сон. Теперь синапсы в большом количестве упраздняются или ослабляются. В результате остаются лишь особенно сильные и важные связи, то есть те, которыми мозг в бодрствующем состоянии пользовался особенно часто и интенсивно. Этим объясняется не только положительное влияние сна на общую умственную работоспособность, но и экспериментально доказанное улучшение памяти во сне: благодаря упразднению большинства лишних синапсов «на уровне нейронов оптимизируется соотношение между важными сигналами и несущественным «шумом», — пишут исследователи.

В следующей затем фазе БС, когда нервные клетки снова проявляют не меньшую активность, чем в состоянии бодрствования, закрепляются, вероятно, синапсы, сумевшие устоять перед масштабной ликвидацией в предшествующий период глубокого сна. Тем самым дополнительно углубляется консолидация памяти.

Но самое важное в новой модели — то, что она предлагает возможное объяснение феномена дельта-волн. На гребне дельта-волны практически все клетки большого мозга возбуждены одновременно, во время ее спада все они одновременно успокаиваются. Это идеальное состояние для ликвидации синапсов.

В то же время такой рисунок возбуждения блокирует нормальную обработку информации, необходимую для бодрствующего сознания. Следовательно, медленно, но строго синхронно колеблющееся возбуждение всех нейронов большого мозга требует сна и одновременно поддерживает биохимические процессы, лежащие в основе масштабной ликвидации синапсов, предполагают ученые из Мэдисона. Это позволяет объяснить и тот факт, что потребность в глубоком сне с возрастающей продолжительностью сна резко снижается; становится ясно, почему глубже спят те участки мозга, которые интенсивнее работали во время бодрствования: им нужно ликвидировать больше контактных зон.

Те клетки мозга, которые вовсе не участвуют в общей обработке информации во время бодрствования и могли бы просто отдыхать, также спонтанно активизируются и устанавливают контакты с соседями. Следовательно, они тоже повышают синаптическую нагрузку и вызывают, по крайней мере, в теории, гомеостатическую потребность в сне. Это помогает объяснить, почему животным приходится выходить из зимней спячки, чтобы спать, и почему даже изолированные срезы коры больших полушарий в чашке Петри порождают со временем волны глубокого сна.

Эта модель еще далеко не доказана. Но она объясняет потребность в глубоком сне лучше, чем чрезвычайно популярная теория 1995 г., согласно которой мозговые клетки используют сон главным образом для того, чтобы пополнить запасы растраченной в состоянии бодрствования энергии. Сама по себе идея американцев Джоэля Бенингтона и Крэга Хеллера вовсе не лишена основания. Мозговые клетки действительно заправляются глюкозой в первую очередь во сне. Но, судя по всему, эта потребность — лишь одна из многих компонент, со временем усиливающих сонливость; при этом ее удовлетворение не зависит полностью и исключительно от сна. Новые исследования — в том числе, анализ локального сна у мышей Ирен Тоблер — показали, что запас глюкозы в клетках мозга пополняется и тогда, когда мышам не дают спать, и что этот процесс протекает независимо от появления длинноволнового рисунка ЭЭГ.

Сейчас и сам Бенингтон пересматривает свою теорию 1995 г., предполагая, что сон — прежде всего основа пластичности мозга. Новая концепция, с которой согласен и Маркос Фрэнк, предполагает даже, что в глубоком сне происходит не только массовая ликвидация синапсов, но и целенаправленное усиление особо важных контактных зон между нейронами, способствующее закреплению в мозгу новых сетей.

В целом их гипотеза, о которой сами авторы говорят, что она далека еще от совершенства, звучит так: ритмы активности мозговых клеток во сне, от тета- и дельта-волн, сонных веретен и К-комплексов до полных циклов сна, не могут быть случайными. Однако нужно еще экспериментально доказать, что эти ритмы каким-то образом служат изменению контактов между нейронами. Если это удастся, можно будет считать, что исходный смысл сна состоит действительно в «повышении синаптической пластичности». Другими словами, тогда мы будем знать, что сон создан для лучшей обучаемости.

При всей сдержанности ученых, о смысле сна известно на самом деле уже не так мало. Очевидно, мы спим не потому, что нуждаемся в покое. Отчасти мы спим для того, чтобы экономить энергию, но, вероятно, далеко не в той мере, в какой это верно для мелких млекопитающих. Несомненно, мы спим для восстановления, роста, регенерации и сбалансированного обмена веществ. В детстве мы спим особенно много, потому что растем, и потому что мозг еще только приспосабливается к своим задачам. Став взрослыми, мы спим прежде всего ради той работы, которую наш мозг осуществляет при выключенном сознании.

Особенно убедителен тезис, согласно которому мы спим для того, чтобы освободить мозг от груза многих миллиардов излишних нейрональных контактов, причем с этой задачей мы никак не могли бы справиться в состоянии бодрствования. Если это предположение верно, то чередование сна и бодрствования — логическое следствие способа работы мозга: во время бодрствования он создает контакты, во время сна имеет возможность от них избавиться. В ходе такого чередования сохраняются лишь особенно часто и интенсивно используемые нейрональные связи, которые по тем или иным причинам оказались для нас особенно важны. Из них в течение жизни день за днем и ночь за ночью составляется понемногу содержание нашей памяти.

Следовательно, мы спим, чтобы запоминать. Это верно не только для интеллекта, но и для тела: клетки иммунологической памяти также нуждаются в сне, а внутренняя сбалансированность, к которой постоянно возвращаются во сне наши системы органов и обмен веществ — тоже своего рода память.

О том, чтобы сон вечно оставался для нас загадкой, также заботятся процессы в спящем мозге: ведь они создают бесконечное число нейрональных сетей, составляющих нашу память, только в бессознательном состоянии (некоторые называют его сонным сознанием). Эти сети позволяют нам обдумать то, что происходило в состоянии бодрствования, и составить прогноз относительно будущих возможных событий. Следовательно, лишь благодаря сну мы способны осмыслить настоящее на фоне прошлого. Другими словами:

Без сна не было бы сознания.

Заключение

Натаниэль Клейтман, отец современной сомнологии, умер в 1999 г. в возрасте 104 лет. Его ученик Уильям Демент и сейчас — в возрасте 77 лет — читает в Стэнфордском университете популярный курс лекций «Сон и сновидения». Французу Мишелю Жуве уже 81 год[22]. Швейцарец Вальтер Рудольф Хесс, лауреат нобелевской премии по медицине, первым обнаруживший, что мозг активно управляет сном, дожил до 92 лет. Альфред Лумис, один из пионеров систематического исследования ЭЭГ сна у людей, умер в 1975 г. в возрасте 87 лет.