Иван Пигарёв
Вчера умер великий учёный - Автор этой статьи.
Лекция профессора Пигалёва, который вчера погиб от столкновения с самокатчиком. Он был, кроме всего прочего, правнуком Фёдора Тютчева.
phpBB [media]
https://youtu.be/HsnCMT_EYmg
Стенограмма и видеозапись публичной лекции доктора биологических наук, главного научного сотрудника Лаборатории передачи информации в сенсорных системах ИППИ РАН Ивана Пигарёва. Лекция состоялась 27 февраля 2014 года в рамках цикла «Публичные лекции «Полит.ру» при поддержке фонда «Династия» и ИППИ РАН.
Текст лекции
Я, прежде всего, хочу поблагодарить за приглашение выступить с лекцией, потому что я очень люблю это дело, особенно, когда у меня в душе есть некоторая уверенность, что те знания, которые я вам сегодня сообщу, могут быть очень полезны для вашего здоровья. Но я должен сразу огорчить, наверное, очень многих, кто пришел на эту лекцию, что как раз о снах в смысле как о сновидениях, ради чего, наверное, большая часть слушателей здесь собралась, я как раз говорить ничего и не буду. Потому что состояние сна и сновидения это вещи совершенно разные, и если первое, действительно, чрезвычайно интересно, то второе, с моей точки зрения, ничего интересного не представляет. Откуда они берутся, я вам расскажу и, надеюсь, что покажу, в чем тут фокус, и почему это, на самом деле, ничего интересного собой не представляет.
Теперь будем переходить потихоньку ко сну. В чем я вижу сложность? Я представляю, что, наверное, в этой аудитории собираются люди самых разных специальностей, и не знающие, наверное, ни физиологии, ни медицины, и поэтому могут возникнуть, я так думаю, ситуации, когда я вдруг произнесу какое-нибудь слово, и будет непонятно, что это такое. Вот я прошу или уважаемого ведущего, я-то вообще готов предложить это делать любому, спрашивать «что это значит», и меня прерывать в любом месте для того, чтобы максимально понятно было то, о чем я буду говорить.
Я буду стараться максимально избегать того, чтобы я говорил что-нибудь, что будет непонятно. И поэтому давайте подведем некоторое основание, некоторую базу. Что такое состояние сна? Оно, с одной стороны, замечательно тем, что все знают, что это такое, и более или менее каждый здоровый человек один раз, а то и два раза в сутки, в этом состоянии находится. Таким образом, прошло уже сколько лет от сотворения мира, и каждый день каждый человек впадает в это состояние.
Это состояние, прежде всего, характеризуется тем, что почему-то у нас ухудшается получение сигналов из внешнего мира. Вы знаете, что глубоко спящий человек не слышит звуков, и если он сильно хочет спать, то даже очень сильные звуки его не будят. Люди не воспринимают зрительные сигналы, поступающие в глаз. Спящие, во-первых, закрывают глаза, чтобы отсечь вход зрительных сигналов из окружающего мира в мозг. Но, кроме этого, создан дополнительный механизм у нас в мозге, который во время сна блокирует проведение оставшихся импульсов, идущих от глаза в мозг человека.
Также очень сильно повышаются пороги восприятия сигналов, например, тактильных, и нужно очень сильно потрясти человека для того, чтобы он проснулся. Это всем хорошо известно. И вот такая картина приводила к представлению, что мозг спящего существа, спящего организма, находится в такой ситуации, которую научно или очень наукообразно называли сенсорной депривацией, то есть ситуацией, когда никакие сигналы из внешнего мира не поступают в мозг, и мозг является изолированным от внешнего мира.
Все всегда задумывались, а что это за такое удивительное состояние? До первой половины XX века объяснение было простое: сон – это, скорее всего, просто отдых мозга. Поработаем сильно физически, вроде мышцам надо отдохнуть, мозг поработал сильно в течение дня, и мозгу надо отдохнуть. Ну и было все хорошо и понятно, никто особенно и не задумывался над этой проблемой. Понятная вещь, – периодически мозгу надо отдохнуть, надо поспать.
И только в 1930-е годы двадцатого века была разработана техника, позволяющая регистрировать суммарную электрическую активность больших участков мозга или от его поверхности, или от поверхности головы, а также электрические сигналы, генерируемые отдельными нейронами мозга. С применением этой техники было сделано совершенно удивительное наблюдение, которое опровергло все ожидания и представления.
Оказалось, что мозг во время сна не только не отдыхает, а наоборот, все его нейроны работают, как правило, даже более интенсивно, чем во время бодрствования. И вот тут возникла эта самая первая и удивительная загадка сна. Эта загадка сна для многих ученых существует и до настоящего времени. Если вы приедете на современный конгресс по изучению сна, то с большой вероятностью встретите девиз "Mystery of sleep" или что-нибудь похожее на это, потому что в мире исследователей сна общепризнанно, что назначение сна остается одной из величайших тайн и загадок природы.
Оно, конечно, может быть и так. Но на самом деле, ученые, занимающиеся сном, говоря такую вещь, несколько лукавят, потому что очень хорошо известно и очень давно, зачем нам нужен сон. Мы к этому со временем перейдем. Я покажу только, чтобы было повеселее, картинку, показывающую, как выглядит эта всем известная электроэнцефалограмма (ЭЭГ), то есть сигнал, регистрируемый от поверхности мозга, и как он меняется при переходе от бодрствования ко сну.
Как такую картинку получают? Прямо на поверхность мозга через маленькие дырочки, которые сверлятся в черепе (поскольку я физиолог, я работаю с животными), я ставлю электроды. О технике эксперимента я расскажу чуть позже. Электроды ставятся прямо на поверхность коры мозга, и оттуда регистрируется замечательная электрическая активность. И вот уже Ганс Бергер, который в свое время открыл, что можно регистрировать электрическую активность от поверхности мозга (ЭЭГ), обнаружил такую интересную вещь: по мере того, как начинает развиваться сон, низкоамплитудная и высокочастотная электрическая активность мозга начинает меняться и появляются низкочастотные и высокоамплитудные волны так называемого медленного сна.
Верхняя запись на этом рисунке очень сжатая, на этой записи помещается пять минут. В начале животное находится в состоянии бодрствования, а со временем развивается сон. Если мы возьмем кусочек этой записи, и начнем его растягивать до двух минут, одной минуты или до десяти секунд, то вы увидите знаменитые медленные волны сна, которые дали название фазе медленно-волнового или медленного сна, как я его потом буду называть. Эти волны замечательно регистрируются у мышей, крыс, кошек, обезьян, людей, и выглядят более или менее одинаково. В какого зверя вы не поместите электроды, будет довольно похожая картина.
Картина ЭЭГ дает возможность узнать, когда у нас животное находится в состоянии бодрствования, а когда засыпает. Надо сказать, что такое яркое различие состояния бодрствования и состояния сна по ЭЭГ, было еще одним сильным аргументом в пользу того, что в состоянии сна и в состоянии бодрствования мозг находится в принципиально разных ситуациях. Полагали что задачи, которые мозг решает в бодрости и во сне, принципиально отличаются, потому что даже электрическая картина становится такой удивительно различной.
Но насколько этот вывод был обоснован, можно было усомниться. Как картинка, которую я вам здесь показываю, получается? Человеку накладывают электрод, он спит на удобном мягком матрасе, в комнате свет выключен, тихо, у испытуемого развивается полноценный активный сон. Потом он пробуждается, но продолжает лежать все в той же недорогой двуспальной кровати, в окружении бедной зрительной обстановки, ничего не двигается, серое тусклое освещение, приглушенный звук, потому что камера обычно бывает звуконепроницаемой, тихой, чтобы никто ему не мешал спать. Таким образом, человек оказывается в ситуации чрезвычайно пассивного бодрствования.
Вот мы и подумали, что изменения в картине ЭЭГ при пробуждении могли быть потому, что у нас сначала было состояние активного сна, а потом оно сменилось состоянием исключительно пассивного бодрствования.
Можно было предположить, что если животное или человека поместить в естественную среду, наполнить его зрительный и слуховой мир сигналами, поступающими через разные органы чувств, и заставить его двигаться, чтобы его мышцы тоже работали, и еще, чтобы все эти сигналы начали поступать к нему ритмично, с такой же ритмикой, с какой у него идут медленные волны в состоянии сна, то, может быть, ЭЭГ в бодрости у нас станет такой же волнообразной, как во сне.
Известные различия картины ЭЭГ в бодрствовании и во сне, возможно, были связаны не с тем, что мозг находится в двух принципиально разных ситуациях, а с тем, что просто сигналы, поступающие в кору мозга в состоянии бодрствования и состоянии сна, очень разные. А если мы в состоянии бодрости подадим в мозг такой же поток сигналов, как и во сне, то мы получим такую же картину. И это, действительно, оказалось так. Тут я вам покажу интересную картинку. Это ЭЭГ кролика.
На верхней записи вначале кролик спит, а потом он проснулся, и амплитуда волн упала. А тут он опять заснул, и волны появились вновь. А вот на нижней записи кролик все время находится в состоянии чрезвычайно активного бодрствования. И на фоне этого активного бодрствования мы подаем зрительную стимуляцию неяркими вспышками света на глаз в ритме обычной сонной активности. И вы видите, что никто здесь не сможет различить, чем эта картина отличается от представленной на верхней записи. Действительно, ЭЭГ, если мы создадим определенный поток сигналов, идущих в мозг, примет ту форму, которую имеют входящие сигналы.
Таким образом, можно было усомниться, что состояния мозга во сне и в бодрости чем-то принципиально отличаются. Скорее можно было предположить, что оно ничем принципиально не отличается, кроме как потоком входных сигналов.
Это хорошо. Это был важный шаг, но теперь нам надо было подумать, а что это мог быть за источник таких синхронных периодических сигналов, которые поступают в кору мозга у млекопитающих и птиц во время сна. Что у них такого общего в состоянии сна. И вот на этом вопросе я на время оставлю область электрофизиологии и перейду к описанию обещанных экспериментов, которые показали, и довольно давно, а, собственно, зачем же существует сон?
Как можно было поставить эти эксперименты? Для этого не нужно было иметь никакой ЭЭГ, никаких энцефалографов и усилителей. Можно было сделать очень простой опыт. Надо было лишить животное сна на протяжении какого-то срока и посмотреть, что с ним станет. Что может быть проще этого? Мы сразу узнаем, зачем нам нужен сон.
Первый такой эксперимент был поставлен Марией Манасеиной, в России, еще в конце XIX века. Она не давала спать щенкам, и описала, что через несколько дней такой процедуры, которая называется процедурой депривации сна, все щенки погибали. В то время эта работа не вызвала абсолютно никакого резонанса. Эту работу недавно нашел Владимир Матвеевич Ковальзон – наш патриарх исследования сна. Благодаря ему мы теперь знаем, что, первые такие эксперименты были сделаны так давно.
Надо сказать, что на этом дело не кончилось. В 1930-е годы в Ленинграде в Институте физиологии, в лаборатории академика К.М. Быкова снова были проведены подобные эксперименты. Они тоже не знали про Манасеину, естественно. Но это уже был совершенно другой уровень физиологии, физиологических знаний. Они не давали спать уже взрослым собакам. Было использовано шесть собак, и большое число опытных экспериментаторов с медицинским образованием, сменяя друг друга, постоянно наблюдали за этими собаками, не давали им спать, используя так называемые методы мягкой депривации сна. То есть с собаками играли, гуляли, не давали им никак заснуть, но не применяли при этом никаких неприятных или болевых стимуляций.
Они уже регистрировали многие, так называемые, висцеральные параметры, это пульс, кровяное давление, температуру тела, кожно-гальваническую реакцию, у них уже был довольно большой арсенал измеряемых параметров. И как опытные врачи, когда они понимали, что еще один час, и собака погибнет, они эксперимент прекращали и давали собаке заснуть.
Собаки выдерживали это пять - шесть суток, после6 чего наступал момент, когда становилось очевидно, что собака погибает. Тогда собаке давали заснуть, она спала обычно часов десять - двенадцать непрерывно, потом вскакивала и была абсолютно здоровая, бодрая и веселая собака. И опять никто не обратил внимания на эти работы, благополучно про них забыли. И опять, совершенно случайно, мы с женой, готовя очередной обзор по проблемам депривации сна в старых журналах того года нашли эту публикацию.
Первая работа, которая была сделана и обратила на себя внимание, была сделана в Америке в лаборатории Аллана Рехтшаффена (Allan Rechtschaffen) на крысах. У него была придумана исключительно остроумная конструкция, действительно, которая снимала очень много возражений. Как правило, к экспериментам с лишением сна бывают придирки, что тут проблема не в том, что вы лишаете животное сна, а то, что вы создаете ситуацию стресса. И что это все последствия стресса, а не депривации сна. Рехтшаффен сумел обойти это возражение, я не буду сейчас вам рассказывать, как это было сделано. Это довольно частный момент, но на крысах в исключительно аккуратных условиях эксперимента он провел ту же самую работу. Поскольку крысы это не собаки, это животное недорогое, он доводил этот эксперимент до конца, когда крыса действительно погибала. Как это делалось?
Он регистрировал ЭЭГ у крыс, которые постоянно жили на диске над водой. Компьютер следил за ЭЭГ. Когда в ЭЭГ появлялись признаки засыпания, диск начинали вращаться. Если крыса пробуждалась и ЭЭГ превращалась в ЭЭГ бодрствования, то вращение прекращали. Если крыса не просыпалась, то вращение продолжалось, и крыса вскоре съезжала в воду. Она из воды вылезала опять на диск, поскольку крысы очень не любят купаться, но потом долго не могла заснуть. Это был абсолютно автоматический эксперимент. Все под компьютерным контролем.
И вот, наступал очень интересный момент. Крыса была жива, вдруг у нее становилась плоская ЭЭГ, все волны исчезали, и это был уже момент невозврата. Если тут остановить эксперимент, и дать крысе заснуть, она не отходила. Она все равно безвозвратно погибала. Рехтшаффен имел большую лабораторию, это были уже 1990-е годы, а не 30-е. И они, естественно, этих погибших крыс потом начинали вскрывать и выяснять, в чем дело и что произошло. А что произошло? По описанию, примерно через сутки лишения сна, животные начинали есть большое количество пищи, но с большой скоростью теряли вес. На коже появлялись язвы, вылезал мех. Когда делали вскрытие, оказывалось, что весь желудочно-кишечный тракт как одна сплошная язва, там язвы желудка, язвы кишечника.
Более тщательные исследования последних лет показали, что все это, скорее всего, было результатом отключения иммунной системы, которая тоже, вдобавок ко всему, при этом выходила из строя. Но что было самое удивительное и для экспериментаторов, и для всех тех, кто читал эти работы, что был у крысы единственный орган, который практически не страдал от депривации сна. Это был мозг! Если все до этого думали, что сон - это, прежде всего, состояние, нужное для поддержания работы мозга, то эти эксперименты показали, что это, скорее всего, не так. Что мозг ухитряется сохранить свою работоспособность и целостность, независимо ни от каких состояний. Животное погибает, но мозг при этом еще сохраняется целым.
Ну и вот теперь давайте попробуем свести воедино те две истории, которые я вам сегодня рассказал. Первое, возникла гипотеза, что, во-первых, кора мозга и во сне, и в бодрствовании, возможно, занимается одними и теми же операциями. То есть кора мозга - это не специализированный компьютер, как мы сейчас хотели бы сказать, а это есть некоторый универсальный компьютер, который делает некие операции с входной информацией, независимо от того, что туда идет. Она, может быть, и не знает, что за сорт информации туда подается. Она делает с ней какую-то операцию, и тому, кто ей отправил задачу, выдает ответ. А кто же посылает задачу во сне?
Тут, собственно, и будет самое интересное. Характер ЭЭГ, которые мы пишем, вот эти волны, которые мы регистрируем, только отражают характер входных сигналов, идущих в кору. Если они ритмичные, если они синхронизированные, то мы видим волны, если они не ритмичные и несинхронизированные, не видим волны. И тогда у нас возникает вопрос: вот мы знаем результаты экспериментов по депривации сна, животные погибли не из-за того, что у них плохой мозг, а явно от каких-то существенных висцеральных расстройств.
Слово «висцеральный» – связанный с нашими потрохами. Viscera (лат.) – внутренности, все, что у нас в животе лежит, желудок, кишечник. Слово «висцеральный», которое я буду употреблять в будущем, включает все, что определяет жизнеспособность нашего тела. Не мыслительную нашу функцию, а именно сохранение нашего тела как некий живой организм. И вот тут возникла у нас простая, даже я бы сказал, примитивная и естественная идея.
Что происходит? Мозг наш как некий универсальный компьютер во время бодрствования обеспечивает нашу жизнь во внешней среде. Он получает сигналы из внешнего мира чрез глаза, уши, тело, тактильную рецепцию и т.д., для того, чтобы обеспечить наше активное поведение в окружающей среде. Но у нас есть другой мир, у нас есть внутренний мир, мир наших внутренних органов, который тоже безумно сложный, но в отличие от внешнего мира, мир наших внутренних органов не представлен в наших ощущениях. Это вопрос уже не ко мне, а скорее к конструктору нашего тела, но так было сделано, что наши внутренние органы не представлены в наших ощущениях.
Мы не чувствуем наших кишок, наших почек. Любого человека спросите, что у него внутри, он ничего вам не скажет, пока не прочтет книжку по анатомии. Но этот мир есть, он безумно сложен. Когда физиологи его изучают, становится понятно, насколько он сложен.
Чтобы не быть совсем уж голословным, я приведу такой простой пример: все мы хорошо знаем, насколько важно для нас зрение. Так вот зрительную информацию мы получаем через рецепторы, расположенные в сетчатке глаза – палочки и колбочки. Это все знают еще из школьных курсов анатомии. В глазах человека их порядка полутора миллионов. Сигналы от палочек и колбочек передаются в мозг для анализа. В результате этого анализа мы видим. Мы можем оценивать расстояния, узнавать лица и организовывать наше обычное, нормальное, зрительное поведение.
Так вот, оказалось, что только в стенках желудочно-кишечного тракта расположено столько же рецепторов, сколько в обоих сетчатках наших глаз. Эти рецепторы передают сигналы о температуре, химическом составе перевариваемой пищи, о механических изменениях там, и, видимо, о многом-многом другом, о чем мы даже догадываться не можем, потому что это не дано нам в ощущениях. Зрением мы можем посмотреть, тактильно мы можем пощупать, а что идет оттуда, мы не знаем. В мире нашего сознания не представлен наш висцеральный мир. Но поток информации, идущий оттуда, огромен, он соизмерим с потоком зрительным.
И мы предложили очень простую гипотезу. Сон – это то время, когда наш мозг переключается на анализ сигналов, приходящих от внутренних органов. Если там столько сенсоров, то не зря же они там расположены. Если они там есть, значит, они работают. Любая биологическая система устроена так: кто не работает, того нужно съесть. И если какая-то клеточка почему-то не работает, ее тут же съедают специальные другие клеточки, которые на это и сделаны, чтобы никаких бездельников в этом сообществе биологического тела не оставалось. А они все не съедены, значит, они действительно, реально работают. Если они работают, значит, эту информацию должен кто-то анализировать.
Оказалась к этому времени удивительная картина: во всей нашей огромной коре мозга нет представительства внутренних органов, они там не представлены. Совершенно нелепая картина! Как можно себе такое представить? И тогда, замечательно, все сходится одно с другим. Кора мозга у нас в бодрствовании занимается сигналами из внешнего мира, во время сна занимается сигналами из нашего внутреннего мира, от наших внутренних органов. Вот, вроде, получается гипотеза, которая позволяет все объяснить, связать одно с другим.
Надо сказать, что гипотеза, эта была довольно фантастической. Никто из физиологов представить себе такое и поверить в это не мог. Когда мы с этой гипотезой выступили, это не укладывалось ни в какие рамки классической физиологии того времени, Все считали, что кора мозга это специализированные зоны – зрительная, слуховая, соматосенсорная. У всех в сознании кора представлялась как процессор специализированный. Обычная реакция была: «Да что вы мне рассказываете! Зрительная кора сделана для того, чтобы анализировать, ориентацию линий, глубину, цвет и т.д., а вы со своими кишками какими-то, кому вообще нужны эти кишки?»
Прелесть этой гипотезы была в том, что она допускала довольно простую экспериментальную проверку. И как раз этой экспериментальной проверкой мы и занялись.
Что думают российские сомнологи о природе и функции сна
В середине марта российские ученые и медики два дня делились друг с другом методиками лечения апноэ и способами измерить мозговую активность спящих крыс в рамках конференции «Сон-2018» в медицинском научно-образовательном центре МГУ. Корреспондент «Чердака» послушал доклады и выяснил, что сон нам, безусловно, нужен, но зачем именно — все еще неясно.
Механизмы сна и бодрствования интересовали человека с глубокой древности, но их изучение ограничивалось, как правило, простым наблюдением. В 1729 году французский ученый Жан-Жак Дорту де Меран обнаружил 24-часовой цикл закрывания и открывания листьев у растения, что можно считать первым исследованием циркадных ритмов, управляемых внутренними биологическими часами. В XIX веке зародилась экспериментальная сомнология, одним из пионеров которой была российский физиолог Мария Манасеина, проводившая опыты с щенками по депривации сна. Но методика, дающая наиболее полные сведения о состоянии спящего человека — полисомнографическое исследование, появилась только в середине XX века.
В 1953 году произошло важное открытие не только для сомнологии, но и для нейронаук в целом: американские физиологи Натаниэль Клейтман и Юджин Асерински обнаружили, что сон человека — это не монотонное состояние, противоположное бодрствованию, а чередование двух разных состояний.
— При этом единой терминологии нет. Каждое профессиональное сообщество использует свои диалекты. В России еще со времен СССР принято разделение на медленный (медленноволновой) и быстрый (быстроволновой) сон. Эти состояния отличаются друг от друга глубинными механизмами столь же сильно, как и каждое из них от бодрствования, — говорит Владимир Ковальзон, председатель правления Национального сомнологического общества, главный научный сотрудник Института проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН.
Один из определяющих критериев разделения сна на быстро- и медленноволновой — разная частота волн электрической активности головного мозга, которая регистрируется в виде электроэнцефалограмм (ЭЭГ). В то же время в США принято быстрый сон называть REM-sleep (от англ. rapid eye movement sleep — сон с быстрыми движениями глаз), а медленный — non-REM (non-rapid eye movement sleep, т.е. сон без быстрых движений глаз), что указывает на еще один определяющий признак фаз сна: при быстром сне глаза человека под закрытыми веками быстро двигаются, а при медленном — медленно или вовсе остаются неподвижными.
Наконец, по словам Ковальзона, третий параметр, нужный для определения фазы сна, — это тонус скелетных мышц. Во время быстрого сна мышцы расслаблены полностью, а во время медленного — частично.
— Все эти характеристики (напряжение мышц, движение глаз и ЭЭГ) претерпевают динамику с периодом полтора часа. Причем первая половина ночи отличается от второй, — говорит Ковальзон. — Вторая половина ночи — это в основном быстрый сон со сновидениями. Поэтому сны мы видим чаще всего под утро. Так как во время быстрого сна активирована область миндалины, ответственной за переживание эмоций, сновидения очень эмоционально выражены. Образы, которые мы видим в снах, извлекаются из памяти, но обратно в нее не возвращаются, так как подавлены ответственные за запоминание области поясной коры. Поэтому мы не помним сны.
Области мозга, ответственные за быстрый сон, одновременно отвечают за мощное торможение спинного мозга — так возникает состояние сонного паралича, который, видимо, нужен, чтобы люди и животные не могли «изобразить» то, что им снится, считает ученый. При этом заблокированы сенсорные системы: человек в быстром сне ничего извне не воспринимает, несмотря на мощную активацию мозга.
Как правило, первая половина ночи — это время медленного сна. В него мы погружаемся, когда засыпаем. Его механизмы тоже не так просты.
В 90-е годы XX века обнаружилось, что специальная область гипоталамуса занимается тем, что подтормаживает «центры бодрствования» в мозге, представляющие собой особые скопления нейронов в разных его частях, — таким образом происходит постепенное погружение в медленный сон.
Гипоталамус, схема
А в последние годы вообще выяснилось, что в мозге есть еще и второй центр медленного сна, говорит Ковальзон.
— В итоге оказалось, что система перевода нашего мозга из бодрого состояния в состояние медленного сна, пожалуй, не менее сложна, чем система поддержания бодрствования, — подытоживает ученый.
При этом сон человека — консолидированный. Это значит, что спать нам надо непрерывно, и, поскольку мы дневные животные, непрерывно спать надо именно ночью, а не непонятно когда. Поэтому к вызывающему интерес биохакеров полифазному сну (когда спят не один раз в сутки, а много раз, но короткими периодами) Ковальзон относится крайне скептически.
Это лучший способ разрушить свой организм, говорит ученый. Ведь ночной сон имеет циклы в полтора часа, так что, если вы спите ночью урывками по 20 или 30 минут, вы не выспитесь. К тому же вечерний сон не похож на утренний, то есть вы никак не сэкономите — нужно обязательно «досыпать» норму.
При этом давно замечено, что в течение дня у многих людей наступает по крайней мере два периода сонливости. Одним из способов преодолеть эту сонливость, по мнению ученого, можно считать дневной сон, практикуемый в некоторых культурах, — сиесту. При этом сонливость взрослых совпадает по времени с периодами сна у маленьких детей. Владимир Ковальзон считает, что это нормально и для многих людей полезно вздремнуть днем, и многие крупные компании даже организуют для своих сотрудников комнаты отдыха, где это можно сделать. Возможно, такая дневная сонливость — отражение режима сна наших предков, которые имели привычку делать перерыв на сон в течение дня.
Поль Гоген, «Сиеста»
Существует и другой взгляд на режим сна: некоторые историки считают, что европейцы доиндустриальной эпохи спали дольше и при этом разбивали сон на две части, но не на ночную и дневную, а на две ночных: ложились спать сразу после захода солнца, после полуночи бодрствовали какое-то время, а затем засыпали до рассвета.
Таким образом, по словам Владимира Ковальзона, сегодня сомнологам известны как минимум четыре разных специфических «сомнологических» механизма: бодрствование, медленный сон, быстрый сон и биологические часы. Каждый имеет свою анатомию, физиологию, биохимию, эволюционное происхождение — их можно рассматривать, до некоторой степени, как независимые «блоки» центральной нервной системы, которые друг с другом взаимодействуют.
Как появился сон
— Сон это не анатомический признак, который можно проследить на ископаемых. Сделать это можно, только сравнивая более древние виды животных и эволюционно более молодые. Парадокс в том, что быстрый сон по всем характеристикам очень древнее состояние: оно запускается в древних структурах мозга, терморегуляция на это время исчезает — если с человека утром стянуть одеяло, температура его тела будет падать, пока не достигнет окружающей или пока ему не станет холодно и он не проснется, — говорит Кольвазон.
Но если так, быстрый сон должен обнаруживаться у рептилий и беспозвоночных — более «архаичных» животных, чем млекопитающие и птицы. Но это не так: сон крокодила или, например, осьминога монотонен, в нем нет периодичности, как у человека. А вот у примитивных млекопитающих вроде опоссумов или утконосов обе фазы сна уже есть.
Спящие крокодилы на крокодиловой ферме в Таиланде. Фото: think4photop / Фотодом / Shutterstock
При этом предшественником медленного сна можно назвать состояние покоя у более примитивных организмов: рыбок данио-рерио, дрозофил и круглых червей C. elegans. В состоянии покоя у них активируются гены, гомологи которых есть у человека, и активируются те именно в состоянии медленного сна. То есть он существует исторически дольше, чем быстрый сон, а тот, в свою очередь, должен был появиться в какой-то момент эволюции, и по многим признакам — у холоднокровных.
— Чтобы разрешить этот парадокс, я предположил, что быстрый сон произошел не из состояния покоя, а из некоторого активного состояния наших холоднокровных предков, — рассказывает Ковальзон. — То есть активность холоднокровных или ее часть превратилась в быстрый сон теплокровных. А покой превратился у теплокровных в медленный сон. И чтобы мы во время быстрого сна не двигались и не «изображали» то, что нам снится, в головном мозге есть специальная система, которая выключает двигательные нейроны спинного мозга, и человек во время сновидения находится в стадии паралича.
Одним из признаков архаичности быстрого сна, по словам ученого, считается его преобладание на ранних ступенях жизни: младенцы большую часть первых недель жизни спят так называемым активированным сном — предшественником быстрого сна взрослых.
— Активированный сон отличается от быстрого тем, что у младенцев электрическая активность мозга почти не отличается в разных состояниях: мозг еще не созрел, поэтому активированный сон определяют по движениям глаз, подергиваниям, ослаблению тонуса мышц. Но постепенно активированный сон младенца превращается в быстрый сон взрослого человека, а не во что-то другое, — говорит сомнолог.
Он считает, что активированный сон нужен для дальнейшего формирования мозговой ткани. Мозг для правильного формирования своих систем: зрительной, слуховой и других — нуждается в большом потоке информации. Но во внутриутробный и ранний постнатальный периоды развития ребенка достаточного объема внешних сигналов для этого не хватает.
— Наши младенцы рождаются по крайней мере зрячими и начинают слышать практически сразу, а у собак и кошек, например, детеныши вообще рождаются слепыми, — поясняет Кольвазон. — Поэтому во время активированного сна происходит эндогенная стимуляция мозга, она как бы заменяет нехватку внешней стимуляции. Эта гипотеза выдвинута еще в 1966 году, и, хотя прямого подтверждения пока не получала, косвенных данных в ее пользу много.
Юрий Пастухов, главный научный сотрудник института эволюционной физиологии и биохимии им. Сеченова РАН, обращает внимание на другой важный признак быстрого сна — он более выражен у животных, незрелых при рождении (например, кошек, крыс, собак), имеющих в начале жизни пониженную скорость основного метаболизма и уровень энерготрат.
— Морская свинка зрелорождающаяся — посмотрите, как мало у нее быстрого сна, — говорит Пастухов. — И как во много раз больше его у крысы и кошки, особенно в первый период после рождения. По-видимому, в это время большинство аксонов у незрелорождающихся не достигает своих мишеней и процессы синаптогенеза (зарождения и развития связей между нервными клетками мозга — прим. «Чердака») остаются незавершенными. Частые и длительные эпизоды парадоксального сна в результате могут обеспечивать эндогенную активацию нервной системы, мозга [необходимых для «дозревания» мозга детеныша], — говорит Пастухов.
Регуляция сна
Механизм, который постепенно погружает нас в сон каждую ночь, поддерживает в этом состоянии какое-то время, а затем будит, регулируется сразу несколькими системами мозга. Самая актуальная на сегодняшний день модель регуляции — двухкомпонентная: в ней есть т.н. гомеостатический фактор, фактор S, и околосуточный, или циркадианный, фактор C.
— Нарастание бодрствования — это нарастание гомеостатического фактора. Неизвестно, что за ним кроется, но его индикатор — так называемый дельта-индекс электрической активности мозга, — объясняет Владимир Ковальзон. — Он работает как своего рода песочные часы, которые два раза в сутки переворачиваются внутри нас. Этот процесс ощущается как постепенное нарастание сонливости в ходе бодрствования. Он минимален в момент пробуждения и максимален перед самым засыпанием. Циркадианный фактор — это «часы со стрелкой», которая совершает полный оборот чуть больше, чем за 24 часа.
— Взаимодействие этих факторов, их сумма определяют наше состояние в каждый момент времени. Даже если вы не спали в положенное время, но циркадианный фактор показывает, что вы бодры, вы будете бодры — вы как бы забыли, что не спали. Но в следующий период через несколько часов, когда эти факторы совпадут по фазе, у вас будет неудержимое засыпание, вы будете спать в транспорте и вообще где угодно. То есть для сна и бодрствования надо, чтобы эти два фактора — гомеостатический и циркадианный — находились в определенном соотношении. Сон начинается, когда их сумма или разность достигает некоторого порога, и прекращается, когда она уменьшается до нуля, — говорит Ковальзон.
Недавно ученые открыли и третий, ультрадианный фактор, связанный с повышением и понижением уровня определенных гормонов в крови.
Анатолий Лапушко / Chrdk.
— Этот фактор связан с полуторачасовым ритмом ночного сна, который в бодрствование часто исчезает. Его не у всех людей удается выявить. Но у некоторых он очень выражен днем и определяет периодическую полуторачасовую смену голода, жажды и других факторов, — говорит Ковальзон. — 45-минутный академический час — это полупериод этого полуторачасового ритма. Еще в давние времена установлено, что концентрация внимания обучающегося через 45 минут снижается: внимание рассеивается и человек начинает клевать носом. Поэтому нужно устраивать перерыв между лекциями, человек бодрится — и ритм перезапускается.
Координируются все эти сложные процессы в гипоталамусе. На его дорсомедиальное ядро, объясняет ученый, стекаются самые разные импульсы, проходят там обработку, и на выход подается определенный сигнал. Здесь находятся особые группы нейронов, супрахизмальные ядра, которые совместно с эпифизом, вырабатывающим «гормон тьмы» мелатонин, регулируют работу биологических часов. Эти часы, однако, работают совместно только с гомеостатическим фактором медленного сна, а быстрым сном, видимо, управляют другие механизмы.
— Понятно, что, чтобы головной мозг из бодрствования не сразу в кому провалился, а перешел в физиологически здоровый медленный сон, должны быть такие механизмы, которые плавно выключают бодрствование и так же плавно переводят нас в состояние сна, — продолжает Ковальзон. — Ведь в дикой природе внезапное включение сна было бы чревато самыми тяжелыми последствиями. Должна быть возможность у животного найти себе укрытие, а не «бежал-бежал и свалился спать».
Для этого эволюция выработала специальный центр, который находится недалеко от парабрахиального ядра мозга. Он занимается тем, что в определенное время начинает тормозить активирующие нейронные процессы и, таким образом, занимается нашим переходом от бодрствования к медленному сну.
— И таких механизмов найдено уже несколько на разных уровнях мозговой оси, и все они заняты тем, что плавно и координированно выключают центр бодрствования в мозге. Это позволяет человеку медленно войти в медленный сон и поддерживать это состояние на определенном уровне, — говорит ученый.
Зачем нужен сон
И здесь мы наконец подбираемся к главному вопросу. Зачем нам такая сложная система регуляции сна с разными факторами, со множеством нервных центров и переключателей? Зачем нужен сон медленный и сон быстрый? Почему ни мы, ни другие живые существа не могут не спать? Ответ неутешительный: ученые до сих пор точно не знают.
Казалось бы, почему бы просто не сказать, что сон нужен, чтобы тело отдохнуло? Ученые долгое время придерживались этой гипотезы, но за последнюю четверть XX века накопилось много данных, ей противоречащих: оказалось, например, что морские котики 2/3 своего пребывания на суше лежат с закрытыми глазами, но спят только половину этого времени. Дельфины во время сна не прекращают физической активности. В то же время наблюдения обездвиженных ниже шеи больных показали, что сон у них сохранялся, хотя и потребности в соматическом отдыхе, казалось бы, у них нет. Это значит, что сон не тождественен физическому покою, а отсутствие физической нагрузки не отменяет необходимости сна.
Второй очевидный ответ: сон нужен самому мозгу. Существует подтвержденная несколькими экспериментами гипотеза, согласно которой сон спасает нейроны от перегрузки, ослабляя их связи между собой, и помогает полученной за день информации «разложиться по полочкам».
Совсем недавно ученые открыли в мозге так называемую глимфатическую систему, которая занимается выведением из мозга вредных метаболитов, то есть его очищением. Интенсивнее всего оно происходит именно ночью, во время временного сна, и ученые полушутя называют эту гипотезу «вантузной».
Уже накоплено много данных о том, какие процессы происходят в мозге во время сна. Остается непонятным главное — почему все эти процессы не могут происходить во время бодрствования.
Одним из первых ученых, выявивших жизненную необходимость сна для организма, была российский физиолог Мария Манасеина. Она задалась вопросом: что будет, если убрать сон из жизни животного?
Мария Манасеина
— Манасеина не давала спать щенкам, и через пять-шесть дней все они дружно умирали. А если таким же щенкам не давали есть, но давали спать, они жили по 25 дней. Стало ясно, что сон нужен для обеспечения жизнедеятельности организма, — говорит главный научный сотрудник лаборатории передачи информации в сенсорных системах Института проблем передачи информации РАН Иван Пигарев. — Но этот ясный ответ входил в противоречие со страшным предрассудком, которого тогда придерживались все исследователи сна, — априорной уверенности в том, что сон нужен прежде всего для мозга. И идея о том, что сон нужен для обеспечения жизнедеятельности организма, была очень быстро забыта.
Позже эксперименты повторяли на крысах, и результат был налицо: расстройство желудочно-кишечного тракта, язвы желудка и кишечника, выпадение шерсти, язвы на коже и наконец смерть.
— Но единственный орган, который внешне не давал никаких отклонений от нормы, был мозг, — продолжает Иван Пигарев. — Он у животных, которые погибли от депривации сна, был такой же, как у свежей здоровой крыски. В этом главный парадокс сна: наиболее яркие изменения при переходе от бодрствования ко сну наблюдаются в работе коры головного мозга. Но драматические последствия лишения сна проявляются прежде всего в висцеральной сфере (имеется в виду, относящейся к внутренним органам — прим. «Чердака»). Эксперименты XX века делались на бодрствующих животных. Когда у них исследовали топографию поверхности коры, было показано, что в бодрствовании нет «представительства» висцеральных органов, поэтому непонятно, чем занимаются нейроны коры во время сна. Ведь в это время они не отдыхают, а работают, и часто еще интенсивнее, чем днем, но поступление информации из внешнего мира перекрыто, и ничто в кору не поступает.
По мнению Пигарева, ученые до сих пор не в состоянии связать эти явления одной экспериментально проверяемой гипотезой. Он же предположил, что ночью мозг переключается с восприятия внешнего мира на анализ внутреннего состояния организма, проводит своего рода «перекличку» органов и занимается их починкой.
— Это оказалось очень просто объяснить, когда в наш мир вошли компьютеры, — говорит Пигарев. — Компьютер построен на универсальных процессорах, которые решают информационные задачи и совершенно не знают, что они решают: в них приходит информация, они ее обрабатывают и выдают результат. Так, может быть, кора мозга это вовсе не констелляция специализированных зон для зрения, слуха, соматической чувствительности, а просто процессор, который в бодрствовании получает сигналы из внешнего мира и обрабатывает их для обеспечения поведения в окружающей среде? А во время сна отключается от внешнего мира и начинает получать информацию от всех внутренних органов, чтобы делать диагностику состояния. И если в этих органах наблюдаются отклонения от нормальной работы, мозг просто ремонтирует их. И тогда, если не давать животному спать, диагностика не будет проведена и животное неминуемо погибнет через несколько дней, потому что во всех его органах накопятся отклонения, несовместимые с жизнью.
Идею в лаборатории Пигарева проверили на кошках: у них фиксировали в зрительной коре один из нейронов, отвечающих на зрительную стимуляцию, а в желудок или кишечник вкалывали стимулирующие электроды. Если у такой кошки во время бодрствования провести рукой перед носом, зрительный нейрон ответит своей обычной активностью. Но вот кошка уснула, а электрод остался на месте. Если на него теперь подать в кишечник одиночный электрический щелчок, то зрительный нейрон, который до этого фиксировал движение перед носом кошки, снова активизируется — теперь и в ответ на стимуляцию кишечника. Такие же эффекты удалось обнаружить и на обезьянах.
— Потом мы работали с перистальтической активностью желудка и увидели, что отдельные нейроны зрительной коры оказываются избирательными к определенным типам перистальтики кишечника. Во время сна одни реагируют на один тип перистальтических сокращений, другие на другой, — рассказывает Пигарев.
Вспомним, что активность мозга во время сна записывается на ЭЭГ в виде волн. Пигарев считает, что это не что иное, как интерференция периодических сигналов, идущих в мозг от внутренних органов, имеющих внутреннюю ритмичность.
— Мы этого не ощущаем и не знаем. Мы это долго игнорировали, потому что это не дано нам в ощущениях, — говорит Пигарев.
По мнению ученого, в разных частях мозга есть сложная система специальных нейронных центров, которые выполняют функцию переключателей — стоят на путях связи и в определенные моменты при переходе от сна к бодрствованию открывают и закрывают проведение сигналов по одному или другому пути. Но что это за сигналы, как они выглядят и что обозначают — этого ученый пока сказать не может.
— Представьте, что какой-то переключатель немножко приоткрылся во время сна и информация от органов, пройдя обработку в коре, через этот приоткрытый переключатель чуть-чуть войдет в блок сознания. Или, допустим, переключатель — это всего лишь порог. Если пришел огромный сигнал от висцеральной системы, он перескочит через этот порог и опять же попадет в блок сознания. Тогда мы получили сновидение, — поясняет Пигарев.
Теми же настройками «нейронных переключателей», по мнению ученого, можно объяснить сомнабулизм — хождение во сне.
Допустим, человек получает на кору мозга сигналы из внешнего мира, из коры сигналы на двигательную активность пошли, а в сознание — нет. Сознание, таким образом, оказывается отключенным, и люди начинают путешествовать, ничего не видя, не осознавая и не помня, поясняет ученый.
В рамках висцеральной теории Пигарева сон не делится на быстрый и медленный. Ученый считает, что функционально и идейно это один и тот же сон, отличия только в том, от каких внутренних органов приходит информация на анализ.
— Если эти внутренние органы имеют внутреннюю ритмичность, они интерферируют в медленные волны и анализируются в период медленного сна. А когда на анализ поступают сигналы, которые не имеют внутренней ритмичности, такие как печень, почки, репродуктивная система, мозг, эти органы обслуживаются в фазу быстрого сна, — утверждает Пигарев.
Будучи весьма оригинальной, теория «висцерального сна» разрабатывается только самим Иваном Пигаревым и его сотрудниками — больше в мире ни один научный коллектив не ведет исследований в рамках этой гипотезы и не поддерживает ее. По словам Владимира Ковальзона, эта гипотеза не учитывает множество данных других экспериментов, которые с ней не согласуются. Самый очевидный спорный момент: мозг и так контролирует работу внутренних органов, желез внутренней и внешней секреции, кровеносных и лимфатических сосудов — через вегетативную нервную систему, причем спокойно занимается этим днем. К тому же объяснить, как именно и какими сигналами мозг и органы обмениваются во время «починки», ученый тоже объяснить пока не может.
Свою попытку ответить на вопрос, что же такого особенного мозг делает во сне, чего бы он не мог делать при бодрствовании, сделал другой российский ученый — главный научный сотрудник лаборатории сравнительной термофизиологии Института эволюционной физиологии и биохимии им. Сеченова Юрий Пастухов.
Белки укладываются, но не спать
На большом экране поточной аудитории МГУ отображается слайд с текстом: «Парадоксальный сон: состояние с необычной феноменологией, неизвестными функциями и непонятным биологическим значением. Загадочными остаются эволюционное происхождение и молекулярные механизмы». Так свою лекцию анонсировал Пастухов.
Он выдвинул собственную гипотезу о функции парадоксального (так тоже называют быстрый, REM-сон) сна в организме. Она призвана объяснить то, почему некоторые гены в организме экспрессируются только в бодрствовании, а другие — только во время медленного сна.
— Например, гены, связанные с синтезом белка, и гены, связанные с обменом холестерина, очень важным для поддержания работы клеток, преимущественно экспрессируются в медленном сне, а митохондриальные гены, которые связаны с выработкой энергии, экспрессируются именно в бодрствование, — уточняет Пастухов.
В своей гипотезе он учел и такой важный признак медленного сна, как снижение интенсивности метаболизма и расхода энергии. В самой глубокой фазе — той, что связана с дельта-ритмом, наблюдается наиболее сильное снижение. По мнению Пастухова, это создает все условия для главной функции сна — повышения скорости синтеза важных для организма белков.
В пользу этой идеи говорят, например, данные о том, что повышение скорости синтеза белка положительно коррелирует с увеличением общего времени глубокого медленноволнового сна. И такие корреляции наблюдались в 35 различных структурах мозга подопытных животных.
Синтез белков — и во время медленного сна и вообще — ускоряет восстановительные процессы в организме. Мы состоим из белков, и «латаются» неполадки в нашем организме тоже белками. Но не все так просто, считает Пастухов: ускорение синтеза сопряжено с накоплением белков с неправильной укладкой.
Белки, из которых состоит наш организм, — это сложные длинные макромолекулы, свернутые в «клубки» (глобулы). Чтобы они правильно выполняли свои функции, важна не только их химическая формула, но и правильная укладка в глобулы. Неправильно свернутые белки, такие как прионы, сегодня считаются причиной тяжелейших нейродегенеративных заболеваний, ведущих к деменции. К сожалению, такие белки постоянно возникают в процессе нормального синтеза белков в организме.
По словам Пастухова, подобных белков может появляться до трети от всех, а при некоторых патологиях еще больше. Но у организма есть способ справиться с ними: для укладки обычных белков он использует особый класс белков — шапероны, и чем больше появляется белков с неправильной укладкой, тем больше вырабатывается шаперонов.
Молекулярная модель комплекса шаперонов. Изображение: P99am / wikimedia commons / CC BY-SA 3.0
— Представьте, что вы сходили в баню и немножко перегрелись. К чему приводит перегрев? К сворачиванию белков, — объясняет Ирина Якимова, заведующая лабораторией сравнительной термофизиологии, в которой работает Пастухов. — Какая-то, самая неустойчивая часть свернется в неправильную конформацию. Это вызовет экспрессию генов белков теплового шока (класс белков, которые реагируют на клеточный шок; к ним относятся и уже упомянутые шапероны — прим. «Чердака»). Экспрессия — это быстрый процесс, а чтобы неправильно свернутые белки отремонтировались, эти белки должны насинтезироваться… Когда белков становится достаточное количество, через 6—10 часов у вас идет ремонт. Эти два процесса взаимосвязаны.
Таким образом, медленный сон нужен, чтобы синтезировать белки, а следующий за ним быстрый — чтобы правильно укладывать то, что было создано.
— А когда мы просыпаемся, все белки у нас уложены, все у нас в полном порядке. В бодрствовании нет такого мощного синтеза белков. Поэтому подопытные животные и погибают при лишении сна, раз много неправильных белков синтезировано, — поясняет Владимир Ковальзон.
По-видимому, дальнейшие успехи в понимании природы сна связаны с успехами всех нейронаук в целом: чем больше мы будем понимать устройство мозга в принципе, чем более ясными будут и отдельные процессы, происходящие в нем. Тем не менее эмпирических данных о работе мозга, в том числе и о механизмах сна, уже сегодня чрезвычайно много, так что, по мнению некоторых специалистов, отдельный ученый или даже исследовательский коллектив уже не в состоянии осмыслить их и увязать в одну непротиворечивую теорию. Возможно, прорыв в понимании логики происходящих в мозге процессов случится, когда когда ученые доверят их анализ искусственному интеллекту. Ему, по крайней мере, для обработки больших массивов данных на сон прерываться не нужно.