Почему мы спим?

Все от плодовых мушек до дельфинов нуждаются в том, чтобы время от времени прикрывать глаза. Причина тому, по-видимому, кроется в мозге и остаётся одной из главных загадок биологии.

На это занятие мы тратим около трети своей жизни. Если нас этого лишить, мы заболеем. Но мы до сих пор не знаем хорошенько, зачем нам надо спать.

На первый взгляд, ответ очевиден: чтобы мозг и другие органы могли отдохнуть и восстановиться. Но почему мы не можем отдохнуть, оставаясь в сознании и продолжая быть начеку? Почему мы не можем восстановить силы, бодрствуя? Загадка...

Фото HelenHates Peas.

Сон — настолько распространённое в природе явление, что оно должно быть безумно полезным. Даже плодовые мушки и нематоды временами впадают в состояние полного бездействия, из которого выходят не очень легко, то есть сон свойствен даже простейшим животным. Но многолетние наблюдения так и не дали корреляции между сном и физиологическими потребностями у животных. Так что ещё одной тайной является многообразие видов сна.

Например, некоторые летучие мыши спят 20 часов в сутки, а крупные травоядные млекопитающие — менее четырёх часов. Лошадям и вовсе достаточно вздремнуть стоя в течение нескольких минут, которые за сутки складываются примерно в три часа. Некоторые новорожденные дельфины и киты бодрствуют вместе с матерями на протяжении всего первого месяца.

Короче, обнаружить единую, универсальную функцию сна так и не удалось. «Физиологические изменения во время сна сильно варьируются у разных видов, — отмечает Маркос Фрэнк из Пенсильванского университета (США). — Но у всех сон отражается на работе мозга». Поэтому большинство исследователей сосредоточились на этом органе. Наиболее очевидным признаком сна признана, условно говоря, потеря «сознания» (или сокращение «сознательности» у некоторых животных). И недостаток сна приводит к когнитивному кризису не только у людей, но и у крыс, плодовых мушек и почти всех остальных изученных видов.

Основную часть сна занимает медленноволновая фаза, известная также, как третья стадия или стадия глубокого сна (см. диаграмму). Её свойственны характерные волны электрической активности мозга, вызванные синхронизированной активацией нейронов, происходящей примерно раз в секунду. С нею смешиваются другие этапы — фаза быстрого движения глаз, когда деятельность мозга напоминает бодрствование, и переходы между ними.

Считается, что сон — это именно медленноволновый этап, ибо именно в этот период происходит всё то, что должен сделать для организма сон. Именно в этой фазе работа мозга наиболее сильно отличается от бодрствования. В её начале волны становятся особенно большими, когда потребность во сне особенно велика. Если вы долго не спите, эти медленные волны будут нарастать, пока вы не заклюёте носом.

Объяснение функций сна можно разделить на две большие группы: одни связаны с «ремонтом» и «обслуживанием» мозга, а другие — с выполнением мозгом уникальных для сна функций.

Сто лет назад считалось, что в период бодрствования в нас вырабатывается некий токсин, накоплению которого мы в конце концов не можем сопротивляться и засыпаем, чтобы дать возможность мозгу очиститься. Такое вещество не было обнаружено, и современный вариант той же гипотезы гласит: днём происходит постепенное снижение поставок больших молекул, необходимых для работы мозга, в том числе белков, РНК и холестерина. Запасы пополняются как раз во время сна. В экспериментах над животными выяснилось, что производство таких молекул увеличивается во время медленноволновой фазы сна. Однако, по словам скептиков, это лишь корреляция и нельзя говорить о том, что наше желание спать зависит от уровня этих молекул.

Вторая группа тоже имеет давнюю историю. Ещё Зигмунд Фрейд предположил, что все сновидения посвящены исполнению заветных желаний (часто замаскированному), но в науке эта гипотеза не нашла подтверждения. Однако есть веские причины считать, что во время сна мозг всё же выполняет одну очень важную и уникальную функцию — он занимается консолидацией памяти. Воспоминания не высекаются в камне в момент события. Поначалу они хранятся в своего рода ОЗУ и лишь потом то, что по каким-то причинам показалось важным, отправляется в ПЗУ.

Эксперименты и на животных, и на людях показывают, что самые сильные воспоминания формируются, когда моменты запоминания и вспоминания разделяет сон. Например, в ходе одного из опытов электроды, размещённые в крысиных мозгах, показали, что во время сна небольшие группы нейронов воспроизводят тот режим деятельности, который впервые был зарегистрирован, когда крысы бодрствовали и учились.

С 2003 года набирает силу новая гипотеза, объединяющая оба объяснения. В центре её внимания — синапсы, с помощью которых общаются нейроны. Известно, что при формировании воспоминаний синапсы участвующих в этом процессе нейронов становятся сильнее. Основная мысль заключается в том, что в состоянии бодрствования мы постоянно создаём новые воспоминания и, следовательно, укрепляем синапсы. Но этот процесс не может продолжаться бесконечно: в какой-то момент был бы достигнут максимум энергетической эффективности и новые воспоминания перестали бы формироваться. Решением этой проблемы становится фаза медленноволнового сна: в отсутствие входящего потока данных медленно «стреляющие» нейроны постепенно снижают силу синапсов по всем направлениям, сохраняя при этом относительную разницу в силе между синапсами, позволяя новым воспоминаниям сохраниться (см. диаграмму ниже).



В поддержку «гипотезы гомеостаза синапсов» получено немало доказательств. Сканирование человеческого мозга говорят о том, что наше серое вещество требует больше энергии в конце дня, чем в начале. Джулио Тонони и Кьяра Сирелли из Висконскинского университета в Мадисоне (США), предложившие гипотезу, показали, что у грызунов и плодовых мушек прочность синапсов возрастает в период бодрствования и падает во время сна. Более того, когда мы изучаем то, что требует работы определённой части мозга, именно эта область генерирует более интенсивные медленные волны во время последующего сна.

Несмотря на большое внимание, которое в последние годы получила эта гипотеза, она ещё не успела завоевать сердце всех и каждого. Например, нейробиолог Джерри Сигел из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (США) придерживается мнения о том, что сон — это просто адаптивный способ сэкономить энергию, не занимаясь кормлением и размножением. Животное находит укромное место, прячется в нём и бережёт себя для будущего. А различия в образе сна между видами — следствие различий в образе жизни.

Но большинство всё же склоняется к тому, что функция сна столь же сложна, как сложен мозг. Наверное, лаконичный ответ на вопрос о том, почему мы спим, едва ли удастся получить.

Подготовлено по материалам NewScientist.