[Перевод] Наука сна: часть 1

В этом посте я поделюсь информацией о своём предмете обожания. О том, чем я могу заниматься в любое время, в любом месте и в любом количестве. О том, что я предпочла бы бриллиантам и ресторанам из списка Мишлен. Н-+да, конец этой шутки был бы более смешным, если бы заголовок не раскрыл подробности того, что я буду рассказывать о сне. Ну да ладно.

Сон, насколько необходимый, настолько и загадочный, до сих пор ставит учёных в тупик – а они исследуют его уже десятилетия (а спят люди уже многие тысячи лет). Что конкретно происходит во сне? Зачем мы спим? Можно ли перестать спать? Что тогда случится? Заинтересовались? Тогда читайте дальше, и вы узнаете, насколько близко мы подошли к ответам на эти вопросы.

1. Теоретические основы: что и как устроено в области дрёмы

Все слышали про фазу быстрого сна (REM-фазу): либо из-за её связи со снами, либо из-за её важности для человека, либо просто потому, что вам понравилась песня «Losing My Religion«. Но сон – это нечто большее: он содержит ещё три других фазы с разными характеристиками и функциями (и с разными вероятностями того, что вы рассердитесь, когда вас разбудят на этом этапе).

1-я фаза сна, N1 – фаза дремоты, в которой вы переключаетесь между бодрствованием и сном. Ваши мускулы ещё не до конца расслаблены и вы можете испытать ощущение падения – внезапное сокращение мускулов, миоклонический рывок (некоторые учёные предположили, что оно может проистекать из мозга наших предков-приматов, и путать расслабление мускулов с падением с дерева). Кроме того, происходит изменение мозговых волн, синхронных электрических импульсов, появляющихся из-за общения друг с другом огромного количества нейронов (см. рис. 1 для визуализации всех возможных мозговых волн). В состоянии бодрствования ваш мозг выдаёт множество волн, называющихся бета и гамма. Они достаточно резко дёргаются и имеют высокую частоту, и либо связаны с концентрацией (бета), либо, как считается, играют роль в создании сознания (гамма). В этой, первой фазе сна, ваш мозг начинает выдавать вместо бета и гамма-волн более медленные и синхронные альфа-волны (их связывают с расслаблением и умиротворением), и даже ещё более медленные тета-волны (их связывают с глубоким расслаблением и дремотой) – то есть, замедляется. Эта фаза длится от 1 до 10 минут.

Рис. 1: краткое введение в волны, появляющиеся у вас в голове

2-я фаза сна, N2. В этой фазе ваше сознание уже отключилось. Пульс и дыхание замедляются, температура уменьшается, вы готовитесь к тому, чтобы войти в глубокий сон, тета-волны всё ещё ярко выражены. Эта фаза вместе с предыдущей составляет то, что называют «неглубоким сном». Большую часть ночи (порядка 45%) мы проводим в этой фазе. Из неглубокого сна просыпаться лучше всего, вы будете чувствовать себя не разбитым или дезориентированным, а освежившимся и готовым к новому дню.

3-я фаза сна, N3. Вот тут всё серьёзно: это фаза глубокого сна. Её также называют фазой медленных волн, поскольку – как вы догадались – мозговые волны замедляются и становятся крупнее. Теперь правят бал дельта-волны, самые медленные из всех, на которые способен ваш мозг. Вы не реагируете на окружающие звуки, вам сложно проснуться, и ваши мускулы полностью расслаблены. Эта фаза сна называется восстановительной, поскольку ваши ткани восстанавливаются, энергия возобновляется, почки очищают кровь – ну, вы поняли. Если вы проснётесь во время глубокого сна, то окажетесь в таком состоянии (научно доказанный факт):

REM-фаза + сонный паралич: сны, наверно, самые интересные особенности сна, в основном приходят на этом этапе, и бывают яркими и сложными. Определяющее свойство – случайное и быстрое движение глаз из стороны в сторону. Назначение этих движений пока ещё не полностью понятно (а что в нейробиологии полностью понятно?), среди теорий – сканирование тех сцен, что мы видим во сне, а также формирование памяти (поговорим об этих функциях сна позже). Ваше кровяное давление и дыхание поднимаются почти до уровня бодрствования, этот же уровень напоминают и мозговые волны – присутствует даже большое количество бета-волн! Из-за всех этих странностей REM-фаза заслужила название «парадоксального сна». Страшновато, но стоит знать, что ваши мускулы в этот момент полностью парализованы – нейротрансмиттеры GABA и глицин предотвращают поступление мозговых сигналов к мускулам и защищают вас от того, чтобы вы реагировали на сон и, возможно, навредили бы себе. Получается, что, по сути, вы просто лежите полностью парализованным, пока ваши глаза неконтролируемо мечутся туда и сюда. Прелестно. Учёные считают, что когда переход к REM-фазе и выход из неё не проходят гладко, это может привести к сонному параличу – пугающему состоянию, когда к вам вернулось сознание, но вы ещё не можете двигаться. В этом промежуточном состоянии между бодрствованием и яркими снами люди часто рассказывают о том, как видят всякие кошмары, которые обычно можно разделить на такие категории, как инкубы (человек ощущает давление на грудь и испытывает трудности с дыханием, и может воспринимать это так, что у него на груди сидит некий демон), незваные гости (человек ощущает нежелательное присутствие некоего страшного существа) и ощущение выхода из тела. Это объясняет множество рассказов о паранормальных явлениях и похищениях инопланетянами (прости, агент Малдер!) Примерно 7,6% от всех людей страдает сонным параличом, причём среди студентов эта доля довольно сильно увеличена, до 28%.

В течение средней ночи человек обычно проходит несколько циклов сна (каждый из которых длится около 90 минут), причём ближе к утру REM-фазы учащаются.

Краткий обзор происходящего ночью. Можно видеть, что в начале ночи преобладает фаза медленных волн, а во второй половине периода сна начинает преобладать REM-фаза.

2. Как мозг засыпает?

Невозможно определить точный момент засыпания. В один момент вы всё ещё раздумываете над тем тупым поступком, что сделали пять лет назад, а в другой вы уже скользите по направлению ко второй фазе сна. Так что происходит в мозге во время засыпания?

В глубине вашего мозга есть такая крохотная штучка, как супрахиазматическое ядро (СХЯ), управляющая нашим 24-часовым циклом сон-бодрствование. Оно получает напрямую от глаз информацию о количестве света в том месте, где вы находитесь. Оно использует эту информацию для обнуления ваших внутренних часов с целью соответствия нормальному циклу день-ночь. Внутренние часы соответственно регулируют множество функций тела – температуру, выход гормонов, и то, что интересует нас сейчас – сон и бодрствование. Интересно, что даже при полном отсутствии света наши внутренние часы работают примерно с 24-часовым ритмом. Было обнаружено, что это возможно благодаря циклической активности определённых генов (сообразно названных «часовыми генами«). Эти гены выдают разные уровни различных «часовых белков» в зависимости от времени дня – а эти белки уже регулируют дневные ритмы (температуру тела, выработку мелатонина, концентрацию внимания и т.п.)

СХЯ сложным образом связано с – приготовьтесь к очередному длинному названию — вентролатеральным ядром зрительного бугра (ВЛЯ) – структурой, остающейся активной во время сна. Считается, что эти связи активируют ВЛЯ и способствуют началу сна – поскольку во время активации нейронов ВЛЯ они выпускают тормозящие химические вещества (GABA и галанин), которые в свою очередь подавляют нашу пробуждающую систему. Вот так, через длинную цепь инстанций, выключатель поворачивается и ваше бодрствующее состояния медленно нисходит до нуля. Нейроны ВЛЯ также могут быть активированы химикатом под названием аденозин. Аденозин постепенно накапливается во время дна в результате распада гликогена, хранящего энергию в теле, и после того, как его наберётся достаточно, он начинает повышать усталость и подталкивать вас к отдыху. Это называется гомеостатической регуляцией, во время которой мозг пытается балансировать усталость отдыхом.

Краткий обзор цепочки инстанций

Ещё одно химическое соединение, имеющее отношение к сну, можно найти в качестве БАДа в супермаркете [в США / прим. перев.]: мелатонин. Он производится шишковидным телом, и его производство, как и множества других веществ, регулируется циркадными ритмами. Когда солнце садится, СХЯ даёт шишковидному телу команду начать производство мелатонина (чьё наличие в организме в течение дня едва прослеживается), он попадает в кровоток и вызывает сон. Недавно учёные предупреждали нас о вреде использования смартфонов, телевизоров и других излучающих свет устройств перед сном, поскольку они нарушают наши уровни мелатонина. В свете электронных устройств концентрация голубого компонента гораздо сильнее, чем в естественном, и этот предательский голубой свет подавляет выработку мелатонина сильнее, чем свет любой другой частоты. Он сбивает с толку цикл сон-бодрствование и может привести к ухудшению качества и количества сна, поскольку мозг начинает путаться с тем, какое сейчас время суток. Поэтому сделайте себе одолжение и почитайте перед сном книжку. Или займитесь медитацией. Или сексом. Чем угодно, без голубого света.

Сравнение пониженной выработки мелатонина из-за яркого света (кружки) и повышенной выработки при ношении очков, блокирующих голубой свет (белые треугольники), а также нормальной выработки мелатонина при тусклом свете (чёрные треугольники)

3. Почему мы спим, и чем важен сон?

Очень хороший вопрос. К сожалению, определённого ответа на него нет. Как сказал Уильям Демент, основатель Стэнфордского центра исследований сна: «Насколько я знаю, единственная очень, очень веская причина, по которой нам нужно спать, заключается в том, что мы становимся сонными». Поэтому давайте просто посмотрим на то, что нам уже известно (кроме этой крупицы мудрости).

Память

О существовании романтических отношений между сном и консолидацией памяти (то есть, её стабилизацией) учёные подозревали давно, и в последние десятилетия, если не столетия, было проведено множество исследований, подкрепивших это мнение (но ни одно из них не было полностью убедительным). Есть различие между двумя типами памяти: декларативной (об информации, основанной на фактах, отвечающей на вопрос «что?») и процедурной (отвечающей на вопрос «как?», например, мускульная память об управлении велосипедом или игре на гитаре). Было бы очень удобно, если бы у нас было чёткое различие вроде «сон с медленными волнами отвечает за это, а REM-фаза отвечает за то», но, к сожалению, в реальности всё перемешано.

Обычно сон помогает работе памяти: люди, спавшие после того, как что-то выучат, обычно вспоминают новую информацию лучше, чем те, кто не спал после обучения. Изучение списков слов, сложных движений пальцами или даже распутывание сложных спрятанных закономерностей – всё это выигрывало от наличия сна после процесса обучения.

Есть теории, что сон с медленными волнами (СМВ), преобладающий в первую часть ночи, особенно помогает консолидировать декларативную память. Считается, что стабилизация новоприобретённых воспоминаний происходит через их реактивацию в гиппокампе, нашем центре памяти, во время сна. «Заново проигрывая» воспоминания, мозг стабилизирует их следы, благодаря чему вероятность их утери уменьшается. В одном исследовании обнаружили, что если изучить что-то новое, вдыхая запах розы, а затем этот запах подать спящему во время СМВ, активность его гиппокампа увеличивается, а память на следующий день закрепляется сильнее. Так что:

1. Во время СМВ происходит усиление реактивации гиппокампа.
2. Улучшается память.
3. ???
4. Profit!

REM-фазу, с другой стороны, связали с процедурной памятью, чья консолидация не зависит от гиппокампа (а больше зависит от повторения команд на движение в частях мозга, занятых управлением мускулами – мозжечке, базальных ганглиях и моторной коре). По поводу точных механизмов консолидации такого типа памяти пока мало что известно, поэтому этот параграф будет коротким. Однако, существуют исследования, не согласные с таким чётким разделением (научно говоря, возражающие гипотезе дуального процесса). К примеру, было показано, что СМВ-сон может помочь консолидировать двигательную (= процедурную) память, а REM-фаза играет определённую роль в стабилизации воспоминаний о событиях и фактах. Судя по всему, не такое уж и чёткое разделение обязанностей. Это говорит о том, что обе фазы важны для обоих типов памяти (такая теория называется «последовательной гипотезой»): они не соревнуются друг с другом, а дополняют друг друга. Просто так получается, что одна фаза (СМВ) может вносить больший вклад в один тип памяти (декларативный), и наоборот.

Но на этом, конечно, история не заканчивается. Есть – внезапно! – ещё одна теория, пытающаяся описать консолидацию памяти. Она называется «синаптическим гомеостазом» и, по сути, утверждает, что в то время, когда вы бодрствуете и приобретаете новые воспоминания и опыт, связи между клетками вашего мозга (синапсы) усиливаются (и создаются новые), и что когда вы спите, мозг пытается низвести это огромное дневное увеличение до разумного уровня, устранив ненужные синапсы. Так что, можно сказать, что мы спим, чтобы забыть – и поднять уровень сигнала над уровнем шума, начав новый день освежёнными и готовыми к новому обучению. Ненужные связи и случайные воспоминания удаляются, а важные усиливаются через повторение. Недавнее исследование нашло прямое визуальное доказательство этой гипотезы: исследователи, использовав микроскопию высокого разрешения, сначала определили размеры и форму 6920 синапсов, а потом показали, что после нескольких часов сна 80% синапсов уменьшились примерно на 18%.

Крупные синапсы бодрствующей мыши и сжавшиеся синапсы немного поспавшей мыши.

Конечно же, правильного ответа не существует – истина находится где-то посередине, и все эти теории объясняют лишь часть происходящего. Но теперь вы подумаете дважды перед тем, как решить учиться всю ночь перед экзаменом; напрягаясь и закидываясь энергетиком, вы не заставите мозг запомнить информацию лучше – но это могут сделать несколько часов сна.

Ведение домашнего хозяйства

Ещё одна предполагаемая функция сна — ведение домашнего хозяйства. Пока вы спите, мозг натягивает форму уборщика и отправляется на очистку всего накопившегося там во время дневных размышлений мусора. В нескольких исследованиях на мышах исследователи обнаружили систему, устраняющую отходы работы мозга из него во время сна. За это отвечает мозговой аналог лимфатической системы, сеть крохотных канальцев, вымывающих побочные отходы при помощи спинномозговой жидкости. Учёные назвали его «глимфатической системой«, потому что она работает, как лимфатическая система, но при помощи вспомогательных клеток мозга, глий. Когда мыши заснули, эта система включилась на полную катушку (во время бодрствования её активность составляет всего 5% от потока во сне!) и клетки мозга даже немного сжались в размерах, чтобы место вокруг них легче было очищать. Удаляемые побочные продукты деятельности включают в себя такие белки, как бета-амилоиды – злодеев, стоящих за болезнью Альцгеймера (во время сна их в два раза быстрее вымывает, чем во время бодрствования!) – и другие вещества, связанные с нейродегеративными заболеваниями. Так что если вдруг захотите всю ночь проработать, задумайтесь обо всех этих токсинах, накапливающихся в вашем мозге, и вместо ночи работы поспите хотя бы пару часиков.

В общем, хотя пока ещё не полностью понятно, почему мы проводим треть нашей жизни во сне, у нас уже есть довольно неплохие ориентиры.

Во второй части статьи я раскрою удивительную информацию о снах, о том, что может нарушить сон, и дам немного советов по поводу оптимальной организации сна. Не переключайтесь.