Помоги проекту - поделись книгой:
Неудивительно, что травоядные животные лишены возможности спать долго, ведь сон – это состояние почти полной беззащитности, чем не прочь воспользоваться многочисленные хищники. Поэтому травоядные используют минимально допустимое время для восстановления сил, при этом они «любят» спать стоя – это тоже долгое время вводило в заблуждение исследователей, которые считали, что стоя спать невозможно. В дальнейшем было показано наличие, например, у жирафов трех форм сна – сон стоя, сон лежа и полностью расслабленный сон лежа (так называемый парадоксальный сон, но о нем мы еще будем говорить). Последний вид сна является аналогом сна со сновидениями у человека, и в это время мышцы наиболее расслаблены. Наиболее беззащитно перед хищником животное именно в данный период сна. Поэтому, видимо, он и занимал ничтожную часть сна жирафа – расслабленный сон у него случался несколько раз за общее время отдыха и был представлен периодами менее 3 минут (у человека он занимает около 25 % времени сна).
Хищники могут спать дольше, опасность им не угрожает. Лев спит 13,5 часа в сутки (однако это известно только по результатам наблюдения, а не полиграфии), а наша любимая домашняя кошка отстает от него ненамного – она спит в среднем 13,2 часа (мыши, правда, спят столько же, сколько и кошки). О продолжительности сна кошек и мышей мы имеем очень четкое представление, поскольку это одни из самых распространенных лабораторных животных и на них проводилось большое количество исследований сна.
«Поведенческое» объяснение отличий продолжительности сна у разных видов животных является, конечно, слишком упрощенным. Более убедительным может стать подход, основанный на необходимости сна для восстановления сил в зависимости от массы тела животного. Тогда чем масса тела больше, тем больший запас энергии придется животному восстанавливать во время сна. Опыт показывает, что это не так. Самые большие наземные существа, слоны, как было обнаружено российским ученым Олегом Ириковичем Ляминым в 2017 г.{15}, спят в природных условиях, видимо, меньше всех других млекопитающих – всего 2 часа в сутки! А мышам и прочим миниатюрным грызунам требуется для сна почти столько же времени, сколько вальяжным хищникам. Так что масса тела здесь ни при чем.
Дальнейшие исследования показали, что продолжительность сна также не зависит и от размера головного мозга. У слона мозг большой, а у мыши – маленький, а больше сна требуется именно последней. Однако существует обратная зависимость между размерами животного и интенсивностью его энергетического обмена. У мыши этот обмен как раз значительно выше, чем у слона. Интенсивность энергетического обмена приблизительно можно оценить по частоте дыхательных движений, поскольку большинство химических реакций в клетках организма требует участия кислорода; чем интенсивнее они протекают, тем чаще животному нужно дышать. Слон делает 10 дыхательных движений в минуту, а мышь – 200! Известный исследователь сна Джером Сигель предполагает, что большее количество сна животным с высоким энергетическим обменом может быть необходимо для нейтрализации образующихся в процессе химических реакций активных кислородных радикалов. Эти молекулы отличаются исключительной химической активностью и с готовностью соединяются с другими «полезными» молекулами, составляющими структурный каркас клетки или участвующими в химических реакциях. При этом снижается эффективность химических реакций, необходимых для жизни клетки. По мнению Сигеля, зависимость продолжительности сна от уровня энергетического обмена животных как раз и объясняется тем, что во время сна происходит выработка белков, нейтрализующих последствия таких повреждений, например таких важных их групп, как шапероны (в буквальном переводе – «наставники»). Шапероны помогают другим белкам живой клетки восстановить их правильную укладку (так называемое третичное и четвертичное сворачивание) в случае ее нарушения. Правильная (нативная, т. е. природная) укладка белка обеспечивает его оптимальную функцию, например в качестве катализатора химических реакций{16}.
Таким образом, у млекопитающих продолжительность сна зависит от скорости обмена веществ, при этом кривая этой зависимости отличается в зависимости от вида питания. Хищники могут позволить себе максимально допустимое время сна, так как находятся в относительной безопасности и у них есть возможность воспользоваться всеми его выгодами, в то время как травоядные животные вынуждены использовать минимально доступное для восстановления время сна. По характеру питания выделяют еще одну группу млекопитающих – всеядные. Это люди, приматы, крысы. Кривая зависимости их продолжительности сна от основного обмена находится посередине между упомянутыми группами, как это видно на графике, в зависимости от окружающих условий они могут выбирать ту или иную стратегию сна.
Отдельно следует остановиться на роли особой формы сна животных, получившей название парадоксального сна. Он был обнаружен в 1959 г. французским исследователем Мишелем Жуве в опытах на кошках. Тогда уже было известно, что электроэнцефалограмма в состоянии сна у людей и животных существенно отличается от таковой в бодрствовании. Ученый экспериментировал с повреждением различных областей мозга животных для того, чтобы выявить центр, ответственный за возникновение сна (при его разрушении кошка должна потерять потребность в сне). Во время этих исследований он обнаружил, что во время сна у кошки периодически регистрировалось особое состояние, при котором электроэнцефалограмма была совершенно такой же, как у бодрствующего животного, в то время как поведенческие проявления бодрствования (открывание глаз, реакция на внешние раздражители) отсутствовали. Также в этот период мышцы животного становились еще более расслабленными, чем в обычном сне. Мишель Жуве назвал это состояние «парадоксальным сном», поскольку действительно было невозможно объяснить, почему на фоне такой высокой активности мозга у животного наблюдаются почти полная ареактивность и обездвиженность{17}. Оказалось, что у кошки доля парадоксального сна во всем сне составляет 24 % (у человека – 25 %). Мы можем регулярно наблюдать это состояние у домашних питомцев, когда у спящей кошки начинают «бегать» глаза и подрагивать усы и лапки.
При дальнейших исследованиях выяснилось, что ежесуточное количество парадоксального сна у млекопитающих зависит от двух основных факторов – степени защищенности во время сна и зрелости мозга. Соответственно, его количество оказывается минимальным у травоядных и других млекопитающих, являющихся жертвами хищников и спящих на открытой местности, таких как козы или павианы. Это связано с тем, что парадоксальному сну сопутствует полное мышечное расслабление, не дающее животному шансов на защиту или быстрое бегство. Фактор зрелости мозга также влияет на количество этой фазы сна. В наибольшей степени он представлен сразу после рождения, а затем быстро убывает по мере достижения зрелости. Хорек, рождаясь незрелым, имеет 6 часов парадоксального сна в день, в то время как морской свинке, рождающейся с полностью сформированными зубами, открытыми глазами и сразу имеющей возможность передвигаться, требуется только 1 час этого вида сна. Аналогом парадоксального сна животных для человека является фаза быстрого сна (по-другому – ФБС, быстрый сон). У новорожденного она занимает 50 % времени сна, но к возрасту 1 года его доля уменьшается до 25 % и становится такой же, как у взрослых.
Предполагают, что такое большое количество парадоксального сна у незрелых животных объясняется его ролью в формировании зрительной системы. Во время этой фазы сна глаза совершают нерегулярные движения, а при регистрации электрической активности наблюдается активация нервных путей, ведущих к зрительным отделам коры мозга. Считается, что при несовершенстве зрительного аппарата плода и новорожденного парадоксальный сон играет роль «эмулятора» зрительной деятельности. Он «вхолостую» прогоняет потоки электрических импульсов через зрительные пути, которые еще неактивны, поскольку глаз еще не может ничего видеть. При этом стимулируются нейроны первичных зрительных зон коры мозга, и волей-неволей те оказываются вынуждены образовывать связи с соседними нейронами и другими отделами мозга. Необходимость стимуляции зрительного тракта для развития этих зон была доказана экспериментально. Когда новорожденным животным на длительное время закрывали один глаз, в дальнейшем обнаруживалось, что на «неактивной» стороне зрительной коры количество нейронов уменьшалось по сравнению с «нормальной» зоной. Если же при этом животное лишалось еще и парадоксального сна, то различия между двумя этими зонами становились еще более выраженными. Возможно, что большое количество парадоксального сна при рождении необходимо для стимуляции и других сенсорных систем животных (слуховой, тактильной, внутренней рецепции). Кроме того, Мишель Жуве считал, что периодические, даже кратковременные, всплески нейронной активности, характерные для парадоксального сна, необходимы, чтобы стимулировать процессы нейронального развития у новорожденных, заложенные в их генетической программе{18}.
Большое количество парадоксального сна в ранние периоды жизни млекопитающих может объясняться и важной ролью, которую играет эта часть сна для запоминания новой информации, хотя до сих пор данный вопрос изучен недостаточно.
Существует особая группа млекопитающих, для которых впадение в парадоксальный сон оказалось бы смертельным, если бы природа не предусмотрела защиту от этого. Речь идет о водных видах животных. У дельфинов и других зубатых китов парадоксальный сон, похоже, отсутствует вовсе. Неудивительно – ведь при полном отключении поперечно-полосатых мышц (кроме дыхательных!) они бы просто утонули, не имея возможности всплыть и вдохнуть воздух. Однако даже «обычный» сон для дельфинов опасен, поскольку они должны подниматься на поверхность для вдоха по крайней мере один раз в несколько минут, а для этого им необходимо сохранять достаточную мышечную силу и ориентацию во внешней среде. Каким же образом дельфины реализуют свою потребность во сне?
В 1970-х гг. группа российских ученых под руководством Льва Мухарамовича Мухаметова в опытах на черноморской базе впервые в мире смогла ответить на этот вопрос. Оказалось, что мозг дельфинов спит, но лишь наполовину: в то время, когда в одном полушарии регистрируется электрическая активность, характерная для сна, другое продолжает бодрствовать и обеспечивает нормальное всплытие для вдоха (это так называемый однополушарный сон). При этом глаз, который оказывается с противоположной от «спящего» полушария стороны, часто тоже закрывается, а сам дельфин-афалина во время сна либо «зависает» на поверхности воды, либо описывает круги по или против часовой стрелки{19}. По наблюдению в бассейне мелкие дельфины-азовки никогда не останавливаются для сна. Однополушарный сон был описан группой Мухаметова и у других видов зубатых китов, к которым относятся дельфины, например у белух.
Полученные российскими учеными в опытах с дельфинами данные были первыми свидетельствами существования локального сна – возможности мозга переходить в состояние сна не целиком, а частично, в данном случае – одним из полушарий. Тема локального сна в настоящее время очень популярна в научном сообществе – ведь таким образом можно сэкономить время, отведенное на сон. С медицинской точки зрения локальным пробуждением отдельных зон мозга объясняется возникновение такого феномена, как снохождение. Другой отечественный ученый, Иван Николаевич Пигарев, также оказался одним из первых среди исследователей феномена локального сна. В 1997 г. в опытах на обезьянах он обнаружил, что у этих животных проявления сна могут развиваться асинхронно (неодновременно) в пределах одного и того же полушария.
Существует еще одна группа млекопитающих, имеющая особые отношения с состоянием сна. Это так называемые ластоногие – полуводные млекопитающие, которые эволюционно сначала «вышли из воды», затем вернулись в нее (как это сделали дельфины), но не окончательно, сохранив способность выходить на сушу для отдыха и размножения. Сон ушастых тюленей (к которым относятся морские котики, морские львы, сивучи) подстраивается под условия места, где они находятся. При пребывании на суше (на лежбище) эти животные спят, как и другие млекопитающие, с чередованием обычного двуполушарного медленноволнового и парадоксального сна. Их образ жизни таков, что в определенное время года они уплывают далеко в океан вслед за косяками рыбы, которой питаются, и вынуждены в течение нескольких месяцев спать в воде. При нахождении в воде структура сна ушастых тюленей коренным образом меняется – они начинают спать, как дельфины, однополушарным медленным сном. В бассейне котики во сне плавают по кругу в характерной позе на одном боку и «подрабатывают» ластой на стороне спящего полушария. Периоды парадоксального сна при этом редуцируются до секундных значений (почти исчезают). При возвращении на сушу выраженной «отдачи» (резкого увеличения количества сна после временного его ограничения) парадоксального сна не наблюдается. Это означает, что при пребывании в воде потребность в парадоксальном сне действительно исчезает!
Другая группа ластоногих – настоящие тюлени – в ходе эволюции пришла к иному способу «отоспаться» в воде. Эти животные обладают способностью задерживать дыхание на более длительный период (десятки минут), чем их ушастые собратья. Сделав серию выдохов-вдохов, они погружаются в толщу воды (обладая нулевой плавучестью) или ложатся на дно, и там у них в течение примерно получаса проходит полный цикл сна, после чего они пробуждаются и всплывают для новой серии дыхательных движений, затем вновь заныривают и демонстрируют новый цикл сна. Межполушарной асимметрии ЭЭГ у них никогда не наблюдается, а парадоксальный сон хорошо выражен.
Сон птиц на земле существенно не отличается от сна млекопитающих. Мозг птиц устроен иначе, чем у млекопитающих: у него нет складок, толщина мозговой коры также значительно меньше. Интересно, что интеллектуальные способности птиц определяются вовсе не развитием коры мозга, а подкорковыми структурами, так называемым гиперстриатумом. Это тоже серое вещество (т. е. тела нейронов), но находящееся в глубине мозга, а не на поверхности, как кора больших полушарий. Состояние сна у птиц представлено, как и у млекопитающих, двумя фазами – медленноволнового (с характерными медленными волнами на электроэнцефалограмме, его еще упрощенно называют медленным) и парадоксального сна. Сон птиц очень фрагментирован – они спят «урывками» по 1–4 минуты и часто просыпаются. При этом если для млекопитающих локальный однополушарный сон является исключением, то для многих видов птиц это нормальное состояние, зависящее от степени безопасности окружающей среды. Находясь в стае и будучи окруженными другими птицами, утки спят обоими полушариями и имеют закономерное чередование медленноволнового и парадоксального сна. Оба глаза при этом у них закрыты. Если птица оказывается на краю стаи, наступает время для однополушарного сна. При этом глаз, наблюдающий за пределами стаи, остается открытым, а противоположное полушарие продолжает бодрствовать. Когда обстоятельства меняются, например птица поворачивается в другую сторону, она закрывает тот глаз, который был открыт, открывает другой и начинает спать другим полушарием{20}.
Виды птиц имеют различную продолжительность сна, которая, в отличие от млекопитающих, не определяется размерами или интенсивностью обмена веществ. Гуси спят 6,5 часа в сутки, куры – 12 часов, а голуби – 10,5 часа. Единственным фактором, влияющим на продолжительность сна у птиц, признана степень безопасности обитания: в опасных условиях количество сна и его глубина резко снижаются. Выяснилось, что сну птиц присуща еще одна особая функция – он отвечает за импринтинг (запечатление). Это бессознательный процесс, благодаря которому только что родившийся цыпленок определяет своего родителя (лучше, чтобы это оказалась птица его вида, а не собака или сапог хозяина). Показано, что для успешного импринтинга цыпленок должен проспать не менее 9 часов, и такое запоминание обеспечивается не структурами гиппокампа, как у млекопитающих. Другой особенностью работы памяти птиц является запоминание видоспецифичных форм пения, которое также оказалось зависящим от сна, но в неожиданную сторону: сон приводит к забыванию заученных днем трелей; это справедливо, по крайней мере, для начального этапа обучения. Проводятся ассоциации с «незрелым» мозгом человеческих детей – у них сон также часто сопровождается потерей приобретенных днем навыков!
Птицы в полете тоже нуждаются в сне, но могут его ограничивать в значительной степени. Такое семейство, как фрегатовые, известно своим размахом крыльев (до 2,3 метра), горловым мешком (они являются родственниками пеликанов) и приверженностью к летучему образу жизни – большую часть жизни они проводят в полете. Пролетая до 3000 километров за 10 дней над океаном без посадки (фрегаты не могут плавать и взлетать с поверхности воды), эти птицы приучились спать короткими эпизодами на лету, в парении, когда их тело поддерживается восходящими потоками воздуха. При этом медленноволновой сон у фрегатов может отмечаться как в одном полушарии, так и в обоих. Во время коротких эпизодов однополушарного медленноволнового сна у них также наблюдается открывание противоположного глаза и движение в его сторону (птица описывает дугу, вогнутым краем обращенную в сторону видящего глаза). Суммарное время сна в полете у фрегатов составляет только около 40 минут в сутки, в то время как при нахождении на суше, в гнезде, они спят по 12–13 часов. В периоды парения у них были обнаружены также признаки парадоксального сна в виде ультракоротких отрезков (менее 5 секунд каждый).
Птицы имеют общих предков с динозаврами, вымершими 70 млн лет назад. Про сон ископаемых динозавров мы узнать ничего не можем, но сон их ныне живущих родственников, современных рептилий (пресмыкающихся) – черепах, крокодилов, змей и ящериц, совсем не похож на сон млекопитающих и птиц. В отношении того, можно ли назвать сном периодически возникающее состояние покоя рептилий и других холоднокровных позвоночных, а также беспозвоночных животных, среди ученых существуют две противоположные точки зрения. Согласно воззрениям одной группы биологов (см. определение сна, приведенное в начале главы 2), состояние сна может иметь место только у теплокровных животных. При сохранении нормальной температуры тела в состоянии покоя их организм, в особенности головной мозг, может продолжать работать, причем совершенно иначе, чем при бодрствовании. У более низкоорганизованных холоднокровных животных имеются состояния только активности и покоя. Состояние покоя холоднокровных похоже на сон, но таковым не является, поскольку принципиальной перестройки работы мозга при этом не происходит, просто все нервные процессы при понижении температуры тела затормаживаются.
Другая группа ученых, включая представителей школы Иды Гавриловны Кармановой из Санкт-Петербурга, считает, что сон свойственен всем позвоночным животным, поскольку у них можно обнаружить регулярное, не зависящее от изменений окружающей среды, впадение в это состояние, а также характерный для сна млекопитающих феномен отдачи. Этот эффект заключается в том, что если животное в течение длительного времени лишается сна, а затем сон ему позволяется, то его количество резко возрастает. В быту мы с вами регулярно отмечаем явление отдачи сна, когда отсыпаемся в выходные после напряженной трудовой недели. Ящерицы делают так же, поэтому их сон «настоящий». Более того, в 2016 г. группа исследователей из немецкого Института Макса Планка показала наличие чередования фаз сна (медленноволнового и парадоксального) у австралийской ящерицы бородатая агава (
Кроме сна у ящериц и других рептилий имеются особые состояния покоя, возникающие преимущественно в дневное время (состояния покой-1 и покой-2, по И. Г. Кармановой). При этом животное сидит неподвижно, его мышцы сохраняют восковую гибкость, при которой конечности можно устойчиво фиксировать в различных позах (покой-1). Это состояние называется каталепсией. У людей оно может возникать при некоторых формах шизофрении. В состоянии покоя-2 неподвижность рептилии обеспечивается другим механизмом – повышением мышечного тонуса по типу кататонии, при котором мышцы постоянно напряжены и изменить позу животного не удается. У больных шизофренией может возникать и такое состояние. Мы видим, что более древние формы животных имеют, кроме сна, несколько дополнительных состояний покоя. У них эволюция еще не выбрала, какому состоянию отдать предпочтение для наилучшего восстановления организма[2].
Наличие «настоящего» сна с чередованием медленноволновой и парадоксальной фаз пока показано только для одного вида ящериц. Для других рептилий, например крокодилов, живших одновременно с динозаврами, было зарегистрировано изменение электроэнцефалограммы в состоянии, похожем на сон, когда они лежат неподвижно с закрытыми глазами. В одном из сообщений (2015) говорилось о том, что ученым удалось обнаружить у крокодилов однополушарный сон, подобный сну птиц. Некоторые периоды времени крокодилы находятся в неподвижности, сохраняя один глаз открытым, при этом реагируют на приближающегося человека (т. е. зрительная зона мозга у них не спит){22}.
Таким образом, по мере накопления данных о сне различных видов животных формируется представление о том, что сон, не охвативший весь мозг, локальный, не является такой уж уникальной особенностью жизни в особой среде обитания (в воде, как у дельфинов, или в воздухе, как у фрегатов), а представляет собой допустимый способ восстановления даже в обычных условиях.
Сон другого представителя отряда рептилий – черепах – изучен очень неплохо (черепахе трудно убежать от ученого). Проведенные исследования показали наличие у них признаков сна как такового (неподвижность, замедление обмена веществ, реакция на лишение сна).
Для чего же ученым приходится тратить столько усилий и денег, чтобы изучать сон различных животных, не похожих на человека, – млекопитающих, птиц и рептилий? Одной из главных целей такой работы является определение происхождения и назначения различных фаз сна. Ученые задаются вопросом, какая фаза «главнее» и важнее для организма – медленноволновой или парадоксальный сон? Для ответа на этот вопрос используется эволюционный подход – мы как бы опускаемся по эволюционной лестнице все ниже и ниже для того, чтобы проследить, какая из двух фаз сна в итоге останется у самых первых живых существ. Да и вообще неплохо было бы узнать, какое из них могло совсем обходиться без сна и что последующее поколение живых существ приобрело особенного, потребовавшего появления сна как такового (мозг, способность реагировать на изменение освещенности или что-то другое)? Такой подход к изучению цикла сон-бодрствование (это не просто изучение сна, ведь, например, у рептилий есть и другие сноподобные состояния) называют эволюционным. В нашей стране его использовали многие известные неврологи и психиатры (С. Н. Давиденков, М. Б. Кроль, М. И. Аствацатуров), рассматривая поведение больных при некоторых заболеваниях, например шизофрении, как проявление в человеке более древних, сформировавшихся раньше, в процессе эволюции, паттернов реагирования (к примеру, феномен кататонии, характерной для рептилий, у больных шизофренией). Эволюционный подход к изучению сна в нашей стране использовался группой исследователей из Санкт-Петербурга под руководством И. Г. Кармановой и Г. А. Оганесяна.
Одни ученые высказывали предположение, что раньше всего в эволюционной цепочке зародился парадоксальный сон, поскольку центры, его обеспечивающие, находятся в самых древних, появившихся первыми, отделах мозга – в стволе (область, которая опускается от полушарий вниз и затем переходит в спинной мозг). В стволе мозга также сосредоточены главные центры, управляющие жизненными функциями человека и животного, – дыхательный и сосудодвигательный. Когда наступает парадоксальный сон, млекопитающие, в том числе и человек, ведут себя как рептилии – они становятся «холоднокровными», поскольку температура тела в этот период сна начинает следовать за изменением температуры окружающей среды (в обычных условиях внутренняя температура тела млекопитающих может изменяться в очень узких пределах – не более 1° С в течение суток). В качестве доказательства древности парадоксального сна приводятся данные о том, что в наибольшей степени эта фаза представлена у новорожденных существ и продолжительность ее определяется степенью зрелости плода: у животных, рождающихся несформированными, его количество больше. Эти представления наиболее часто связывают с именами итальянских исследователей научной группы Элио Лугарези.
Другая группа ученых считает, что медленноволновой сон важнее. У человека эта фаза занимает бо́льшую часть всего сна – 75 %, медленноволновой сон всегда предшествует парадоксальному. Парадоксальный сон исчезает полностью или почти полностью на длительное время, когда животное попадает в экстремальные условия (например, при длительных перелетах у птиц). В медицинской литературе описаны документированные случаи полного отсутствия этой фазы сна у нескольких человек, при этом проблем в повседневной жизни они не испытывали. Кроме того, известно, что у больных депрессией, которые получают антидепрессанты, ежесуточное количество парадоксального сна резко снижается, но самочувствие на фоне лечения, наоборот, улучшается. Эти исследователи предполагают, что раз без парадоксального сна обойтись можно, а его место всегда занимает медленноволновой, то второй и является наиболее важным и эволюционно более древним. Такая точка зрения подтверждается и результатами недавних исследований, призванных идентифицировать гены, участвующие в организации этих фаз сна (медленноволновой и парадоксальной). Было выявлено, что у мышей мутация гена соль-индуцированной киназы 3-го типа (
Согласно теории, примиряющей обе точки зрения, организму животного одинаково нужны и медленноволновой, и парадоксальный сон, поэтому в процессе эволюции они развивались параллельно – быстрый сон произошел либо из разных форм покоя рептилий, как считала И. Г. Карманова, либо из некоторых состояний «примитивного» бодрствования, как считал еще М. Жуве. В соответствии с этой гипотезой состояния бодрствования и медленного сна появляются в эволюции одновременно с возникновением теплокровности, а быстрый сон представляет собой результат эволюционной трансформации примитивного бодрствования холоднокровных животных{24}.
Рыбы и насекомые появились раньше рептилий – наблюдаются ли признаки сна у них? Что происходит, когда мы подходим утром к аквариуму, в котором на месте «стоит» стайка рыбок, смещаясь в одном направлении? Мы включаем свет, и рыбы начинают хаотичное целенаправленное движение, связанное с поиском корма. Спали ли эти рыбки, пока мы к ним не подошли?
Благодатным материалом для экспериментаторов оказалась аквариумная рыбка-зебра (
У земноводных (амфибий), таких как лягушки или тритоны, которые являются эволюционно более молодыми животными, чем рептилии, наличие сна было задокументировано как на основании наблюдений за поведением, так и при записи электроэнцефалограммы (обнаруживались такие же волны, как при медленноволновом сне). При этом, как и у рептилий, у лягушек, в дополнение к ночному сну, в дневное время наблюдаются еще два состояния покоя – с восковой гибкостью и ригидностью мышц. В одном из исследований на ЭЭГ у лягушки была зафиксирована картина, похожая на парадоксальный сон, однако после 1979 г. эти данные подтверждены не были{27}.
Судя по всему, «главным сном» все же является медленноволновой, а парадоксальный сон в эволюционной цепочке появился тогда, когда первые живые существа начали приспосабливаться к сухопутным условиям. Они получили возможность спать более «комфортно», при этом часть времени бодрствования рыб (или амфибий) переместилась в область сна и заняла там небольшую зону (3–25 % в зависимости от вида животного). Сходство этой зоны с бодрствованием и определяет «парадоксальность» этой фазы сна – высокую активность мозга при отключении реакции на внешние раздражители. Функцией этой части сна, по мнению М. Жуве, является считывание генетических программ врожденного поведения и приведение их в соответствие с приобретаемым опытом. Для только что родившейся особи это очень важно, поскольку своего опыта она не имеет и должна довольствоваться памятью предков. По мере взросления эта часть памяти уже не требуется, животное обогащается собственным опытом и получает возможность обходиться почти совсем без парадоксального сна, как, например, люди, принимающие антидепрессанты.
Мозг насекомых устроен значительно проще мозга рыб и амфибий. У любимейшей (даже больше, чем рыбка-зебра) модели генетиков – плодовой мушки дрозофилы (
Сконструированы системы автоматического мониторинга сна дрозофил, которые оценивают их активность в прозрачном сосуде около источника пищи при помощи инфракрасного излучателя и приемника. Когда мушка находится около источника пищи, но не ест, а сидит, сложив крылышки, такое положение соответствует поведенческому сну. Состояние сна плодовой мушки регулируется четко работающим молекулярным механизмом, гены которого определены; соответственно, включение или выключение определенных генов позволяет выяснить их роль в организации сна, в том числе и у человека. Показано, что нарушение сна у дрозофилы приводит к ухудшению ее умственных способностей (как еще назвать то, что мушки, вместо того чтобы стремиться к свету, как другие насекомые, выбирают темный туннель в том случае, если в нем лежит кусочек сахара?) и сокращению продолжительности жизни. «Малоспящие» мухи живут меньше. В 2002 г. была впервые зарегистрирована электроэнцефалограмма дрозофилы (точнее – локальные потенциалы определенных зон мозга, так называемых грибовидных тел, связанных с организацией движений) и было показано, что эти сигналы существенно отличаются в состоянии сна и бодрствования{28}.
У тараканов время сна характеризуется неподвижностью, опущенными антеннами и ухудшением реакции на внешние стимулы. Так же, как и у других животных, продолжительность этого состояния изменяется после периода лишения сна и зависит от введенных фармакологических средств.
Долгое время считалось, что самым примитивным из организмов, у которых обнаружены изменения активности, похожие на сон, является маленький (длиной 1 мм) круглый червь (нематода)
Совсем недавно, в 2017 г., группе американских биологов из Калифорнийского технологического института в Пасадене удалось показать, что состояние сна присутствует и у медуз{30}. Разработанная учеными система автоматического распознавания активности позволила зарегистрировать изменение частоты пульсации медузы Кассиопея (перевернутой медузы) в течение суток. В ночное время пульсации этой медузы значительно редели, снижалась и реакция на внешние стимулы. При лишении медузы этого состояния покоя на последующий день ее активность и реакция на внешние стимулы снижались так же, как это бывает у животных и людей, лишенных сна.
Итак, сноподобные состояния появились у живых существ миллионы лет назад. По-видимому, они были необходимы для обеспечения процессов физического восстановления и роста. С развитием головного мозга сон стал играть роль еще и в обучении, приспособлении к условиям внешней среды, которые не соответствовали врожденным формам поведения. Это привело к разделению сна на две части – основную, древнюю, медленноволновую и более новую, являющуюся «осколком» бодрствования, парадоксальную. Продолжительность сна определяется не установленным пока генетическим механизмом и зависит от вида животного, интенсивности его обмена веществ и способа питания.
3
Теории сна. Зачем терять время на сон?
Сон и пища. Щенячьи ласки. Крысы на карусели. Думает ли мозг во сне о кишечнике? Мусоровоз мозга. «Десятиминутки силы». Аккумулятор сна. Восстанавливаются ли нервные клетки? Спать, чтобы помнить, или спать, чтобы забывать? Сон и картография
Без сна живому существу долго обойтись нельзя, и даже самые древние животные имеют состояния, аналогичные сну. Что же происходит в это время такого, что требует переключения в особый режим, когда животное оказывается совершенно беззащитным перед нападением хищника, а человек теряет массу времени, которое он мог бы употребить на создание гениальных произведений искусства, как, по преданию, это делал Леонардо да Винчи?
Попытки ответить на вопрос о назначении сна предпринимались начиная с возникновения научного взгляда на мир. Величайший мыслитель Древнего мира Аристотель занимался вопросами назначения сна и сновидений и описал результаты применения своего философского метода в трех работах, посвященных этому вопросу: «О сновидениях», «О сне и бодрствовании» и «О гадании по снам», которые входят в корпус психологических трактатов с общим названием Parva naturalia{31} (короткие трактаты о природе). «Все животные спят, обитают ли они в воде, воздухе или на земле, поскольку сон наблюдается и у разных рыб, и у моллюсков, и у всех иных, кто имеет глаза», – писал Аристотель{32}. По мнению философа, возникновение сна связано с питанием, так как воздействие пищи на рост происходит более в состоянии сна, чем в состоянии бодрствования. Еда приходит извне в предназначенные для нее помещения – желудок и кишки. Это первое правильное указание на путь, который проходит пища. Там происходят изменения – хорошее попадает в кровь, плохое изгоняется, но также определенного рода субстанции путем испарения переходят в кровь. Эти вещества поступают в центр тела – к сердцу, первоисточнику жизни. От испарений, происходящих из пищи, и возникает, по мнению Аристотеля, сон. Испаряемое вещество есть теплота, поэтому оно стремится вверх, точно так же как теплый воздух всегда поднимается кверху, затем поворачивает и попадает вниз. Поэтому еда и питье, особенно же вино, содержащее много теплых веществ, действуют усыпляюще. Так Аристотель впервые предположил, что сон возникает в связи с действием неких веществ, которые приходят вместе с пищей, а важным назначением сна является ее усвоение. Такое предположение, конечно, не ответило на вопрос, почему спят даже голодные люди или животные, причем спят ежедневно через практически равные промежутки времени.
Философский метод не подошел для того, чтобы объяснить природу сна: возникла необходимость проводить научные эксперименты. И наиболее логичным стал подход через лишение сна – ведь, чтобы понять, насколько нам что-то нужно, этого следует сначала лишиться. Или лишить кого-то другого. Опыты с лишением сна называют депривацией (с латинского буквально так и переводится – «лишение»). Первые в мире исследования такого рода были проведены Марией Михайловной Манасеиной. Она была врачом и выдающимся ученым своего времени – занималась проблемами алкогольного брожения, воспитания детей и гигиены. В 1892 г. Мария Михайловна написала книгу, посвященную вопросам сна, – «Сон как треть жизни человека, или Физиология, патология, гигиена и психология сна»{33}. Она провела самые первые опыты по лишению сна животных – эксперименты были выполнены на 10 щенках 2–4-месячного возраста, которых поддерживали в состоянии постоянного бодрствования, лаская и заставляя непрерывно двигаться. Это привело к гибели всех животных в течение пяти суток, причем чем моложе был щенок, тем быстрее наступала смерть. Обследование мозга погибших собак обнаружило значительные изменения – кровоизлияния, разрушение сосудов, дегенерацию мозговой ткани. Сравнив эти данные с картиной мозга собак, погибших от голода, Мария Михайловна сделала вывод, что сон для организма важнее пищи, а причиной гибели животных назвала «нарастающее утомление». Она предположила, что главным назначением сна является восстановление деятельности мозга, поскольку именно в этом органе отмечались наибольшие повреждения в результате нехватки сна{34}. После публикации работы в итальянском научном бюллетене долгое время считалось, что опыты проводил какой-то француз de Manacéïne или немец von Manassein, и только в XX в. благодаря усилиям В. М. Ковальзона правда о личности забытого основателя отечественной сомнологии восторжествовала.
Работа Манасеиной повлияла на формирование методики депривации сна – ее повторили другие ученые, добравшиеся, наконец, и до человека. Значение исследований Марии Манасеиной признается в мире, несмотря на то что выполненные на современном уровне опыты по лишению животных сна опровергли первоначально сделанные Марией Михайловной выводы. В настоящее время установлено, что столь выраженные изменения мозговой ткани животных были следствием не столько лишения сна, сколько воздействия стресса, когда животных сутками заставляли находиться в неестественных условиях.
Щадящий подход к лишению животных сна был реализован значительно позднее в лаборатории американского исследователя Алана Рехтшаффена в 1983 г. и получил название «карусель Рехтшаффена». В рамках этого опыта в установку помещались две крысы. Когда одна из них засыпала, диск, снабженный вертикальной неподвижной перегородкой, начинал медленно вращаться, и от столкновения с перегородкой спящая крыса сбрасывалась в воду, от чего тут же просыпалась. Вторая крыса жила одновременно на том же диске, в тех же условиях, но в воду не падала – таким образом, она служила «спаренным контролем», поскольку испытывала те же воздействия, кроме лишения сна. Сравнивая продолжительность и структуру сна у обоих животных, можно было точно определить последствия лишения сна в чистом виде. Одни и те же несильные физические воздействия применялись и к депривируемой, и к спаренной контрольной крысам. Разница заключалась лишь в том, что у депривируемой крысы механические воздействия были строго приурочены к моменту наступления сна. У спаренного же животного такие воздействия оказывались квазислучайно распределенными во времени. Поэтому спаренная крыса могла отсыпаться в те периоды, когда депривируемое животное проявляло поведенческую активность и диск оставался неподвижен.
В результате пребывания на карусельном диске был выявлен разительный контраст между депривированными и спаренными животными. У спаренных животных суточная представленность сна во время депривации была снижена примерно на 30 %. Никаких нарушений внешнего вида, поведения, обмена веществ, а также со стороны внутренних органов (по результатам вскрытия) не отмечалось. Круглосуточная, почти полная депривация всего сна примерно через три недели (от 11 до 32 дней у разных животных) приводила к неизбежной смерти подопытного. При этом состояние погибшей крысы описывалось набором специфических признаков. Прежде всего по ходу эксперимента начинала уменьшаться масса тела на фоне увеличенного потребления пищи, что, безусловно, свидетельствовало о резком снижении эффективности пищеварения. Животные приобретали истощенный вид, на коже их лап и хвоста появлялись многочисленные изъязвления. В какой-то момент происходило повышение, а затем выраженное снижение внутрибрюшинной температуры тела. В конечном итоге резко изменялась электроэнцефалограмма – она становилась совершенно плоской, т. е. активность нейронов была минимальной. После этого животные больше не засыпали и примерно через сутки погибали. Вскрытие погибших животных выявило многочисленные язвы всего желудочно-кишечного тракта.
Проведя исследования депривации сна на вращающемся диске, ученые не смогли подтвердить результаты опытов М. М. Манасеиной – у крыс, которые в результате этих опытов погибали, изменения в мозге были минимальными: «Наверное, единственным органом, в котором не было обнаружено видных невооруженным глазом отклонений от нормы, был мозг»{35}, – пишут исследователи[3]. В то же время отмечалось значительное поражение внутренних органов. Это наталкивает на мысль, что состояние сна исключительно важно, прежде всего, для обеспечения деятельности внутренних органов, а не головного мозга. Причиной гибели животных в данном случае называли развитие окислительного стресса во внутренних органах. При этом химическом процессе внутри клетки образуются высокоактивные молекулы, которые стремятся вступить во взаимодействие «со всем подряд», мешая, таким образом, протеканию естественных, необходимых для жизни реакций, или же, соединяясь с молекулами клеточной стенки, нарушают ее целостность, что приводит к гибели клетки. Экспериментально возникновение окислительного стресса из-за нехватки сна было показано в 2008 г. на клетках печени{36}. Авторы исследования сделали вывод, что снижение в клетках печени уровня фосфолипида, важнейшего компонента клеточных мембран, происходит из-за специфического влияния утраты сна, а не из-за ослабления физической активности или ограничения питательных факторов. По мнению российского ученого Ивана Николаевича Пигарева, результаты экспериментов лаборатории А. Рехтшаффена и его последователей поставили под сомнение доминирующее представление о том, что сон необходим для обеспечения высших интеллектуальных функций, памяти, сознания. «Стало очевидно, что основное назначение сна – это в первую очередь обеспечение нормального функционирования висцеральных систем организма»{37}.
Иван Николаевич развивает оригинальную концепцию, которая получила название «висцеральная теория сна». В 1994 г., «почти случайно» (слова Пигарева), при исследовании деятельности первичной зрительной коры у кошки он обнаружил, что, когда кошка засыпала, нейроны изучаемой области мозга продолжали работать, несмотря на то что видеть во время сна животное ничего не могло, поскольку его глаза были закрыты{38} («первичной» зрительная кора называется потому, что непосредственно получает сигнал от зрительного анализатора). Профессор Пигарев предположил, что во время сна происходит переключение путей поступления сигнала: мозг начинает обрабатывать сигналы, которые поступают не извне (поскольку сон как раз и характеризуется снижением возможности реагировать на внешние раздражители), а изнутри – поток информации во сне идет из внутренних органов. При этом те области мозга, которые в бодрствовании занимаются обработкой сигналов, приходящих из внешнего мира, во сне, «чтобы не простаивать», начинают обрабатывать информацию от сердца, кишечника, печени и других органов, выполняя, по-видимому, какую-то важную восстановительную функцию. С точки зрения И. Н. Пигарева, мозг – это своего рода процессор, которому все равно, какого рода информацию обрабатывать, а состояние сна, по крайней мере медленноволнового, позволяет перевести этот «переключатель» в положение, когда информация начинает поступать в мозг преимущественно со стороны внутренних органов.
Для читателей, не знакомых с анатомией человеческого организма, следует объяснить, что информацию о состоянии наших органов мы получаем постоянно от рецепторов, расположенных в их толще. В бодрствовании эта информация, конечно, доступна нашему мозгу, хотя может не осознаваться, если порог возбудимости соответствующих зон, так называемых корковых отделов анализатора, не превышается. На сознательном уровне информация от рецепторов начинает восприниматься лишь при возникновении неполадок в организме. Например, если у человека болит в правом боку, это может означать, что на фоне воспаления желчного пузыря выделяющиеся химические вещества раздражают болевые рецепторы в стенке пузыря и капсуле печени, и эта информация через чувствительные нервы (в данном случае через правый диафрагмальный нерв) передается в спинной, а затем в головной мозг, где и формируется ощущение боли в определенном месте. Во время сна ощущение боли подавляется, поскольку на одной из «релейных станций», где переходит переключение восходящего потока возбуждения с одного нейрона на другой, – это место называется таламусом, зрительным бугром, – оно затрудняется из-за помех со стороны других нейронов, начинающих активно работать во сне (нейроны ретикулярного ядра таламуса).
По версии И. Н. Пигарева, во время сна мозг переходит на обработку не той информации, которая поступает в него по обычным чувствительным нервам (поток этой информации во сне блокируется), но той, которая направляется через вегетативные нервы; для печени – это нервы симпатического сплетения и правый парасимпатический нерв. По классическим представлениям, через симпатические нервы передаются стимулы, активирующие деятельность внутренних органов, «реакцию стресса». Этим путем достигается ускорение сердечного ритма, расширение дыхательных путей, увеличение потоотделения и т. д. Парасимпатические нервы отвечают за передачу импульсов, «тормозящих» деятельность внутренних органов, что способствует их восстановлению, росту, накоплению энергии. Сон раньше даже называли «царством вагуса» (по названию блуждающего нерва, содержащего парасимпатические волокна), поскольку в это время наиболее выражены процессы, обеспечивающиеся парасимпатическим отделом нервной системы.
Однако известно, что вместе с эфферентными, т. е. идущими от мозга к телу, путями в симпатических и парасимпатических нервах проходят и чувствительные волокна, по-видимому обеспечивающие «обратную связь». Например, 80 % чувствительных нервов толстого кишечника несут информацию в мозг именно в составе блуждающего нерва. Высказывается предположение, что во сне пути, обеспечивающие передачу информации именно по вегетативным нервам, не блокируются и наш мозг в отсутствие внешних раздражителей использует их, чтобы «тонко настроить» деятельность внутреннего органа, подготовить его к последующей активности бодрствования. Отражением этой подготовительной работы и могут служить сигналы, зафиксированные в «неподобающих» (тех, которые, по современным представлениям, не должны активироваться во сне) областях мозга.
Предположения И. Н. Пигарева получили подтверждение в опытах на животных. Так, было показано, что изменение частоты импульсации нейронов зрительной коры у кошки совпадает с ритмикой электрической активности определенной области ее кишечника (т. е. перистальтика кишечника животного отражается на его ЭЭГ).
С клинической точки зрения важность достаточного количества сна для деятельности внутренних органов подтверждается в наблюдениях за людьми, работающими по сменному графику. Показано, что при такой работе у них в 1,4 раза увеличивается частота эрозивного эзофагита, при котором в пищеводе образуются мелкие эрозии, почти язвы. У пожилых людей с нарушенным сном ускоряется развитие саркопении – возрастзависимого снижения мышечной массы. По-видимому, во время сна происходят и процессы восстановления мышечной массы, не зря же в это время вырабатывается наибольшее количество гормона роста. Это свойство сна используется в спорте высоких достижений. Так, в исследовании, проведенном спортивными врачами в Стэнфордском университете в 2011 г., молодым баскетболистам в течение семи недель увеличили время, отведенное на сон, на два часа{39}. По сравнению со спавшими «как обычно», у этих спортсменов время бега на 100 метров сократилось на 0,7 секунды, а точность бросков увеличилась на 9 %. Ученые объяснили эти результаты как улучшением мышечного восстановления, так и тем, что сон играет роль в процессе заучивания оптимальных двигательных навыков – удачные модели движения запоминаются лучше. В настоящее время возможности улучшения сна спортсменов активно обсуждаются, так как этот путь – один из немногих недопинговых способов улучшения спортивных показателей.
Более простым объяснением назначения сна для организма, в том числе включающим объяснение гибели подопытных животных при депривации, является то, что сон позволяет сберегать энергию, не расходовать ее по пустякам. Действительно, во время сна отмечаются самые низкие показатели температуры тела (в 4–5 часов утра), сердечной деятельности и дыхания, а в итоге и всего основного обмена. Основной обмен – это минимальное количество энергии, необходимое для обеспечения нормальной жизнедеятельности организма в стандартных условиях. За сутки на основной обмен мужчина при весе 70 кг расходует 1700 ккал, а женщина – на 10 % меньше (вот он – секрет похудения! Просто нужно есть чуть меньше пищи, чем это необходимо для обеспечения основного обмена). Согласно данной теории для экономии энергии внешние чувства во время сна отключаются, оставляя работающим только канал «экстренной связи» (по аналогии со «спящим режимом» ноутбука). У различных видов животных потребление энергии во сне уменьшается от 7 до 69 %. У человека разница между энергопотреблением в течение 8 часов сна и 8 часов депривации сна составляет 32 %{40}. Роль сна в снижении энергопотребления была продемонстрирована также в опытах на животных, впадающих в сезонную спячку. Спячка является особым состоянием с исключительным замедлением основного обмена – это не сон. Было показано, что спячка начинается обязательно с периода медленноволнового сна, т. е. сон является переходным состоянием при уменьшении потребления энергии. Теория назначения сна для экономии энергии не исключает висцеральную теорию, а дополняет ее, поскольку предполагается, что оптимизация работы внутренних органов во время медленноволнового сна требует значительно меньших затрат энергии, чем в бодрствовании.
Головной мозг также можно рассматривать как один из внутренних органов. Как и все органы, он нуждается в удалении веществ, образующихся в процессе метаболизма («шлаков», как принято говорить в околомедицинской сфере). Еще одним свидетельством восстановительной функции сна стало обнаружение в 2013 г. феномена ускорения очищения мозга от балластных белков именно во сне. Эти белки вырабатываются в процессе жизнедеятельности нейронов и, как считается, не несут полезной функции. К ним относятся альфа-синуклеины, бета-амилоиды и тау-протеины. Накопление этих белков в большом количестве внутри клетки приводит к тому, что они слипаются в нерастворимые агломераты – нейрофибриллярные клубки, которые препятствуют нормальной клеточной деятельности. Накопление бета-амилоида в мозге называют главной причиной развития болезни Альцгеймера – самой распространенной причины старческого слабоумия. В исследовании на мышах с использованием оптогенетических моделей (при этом возможно наблюдать за свечением нужных белков в мозге живого животного), проведенном группой ученых из США под руководством Майкен Нидергаард в 2013 г., было показано, что во время сна размеры пространств между клетками головного мозга у мышей увеличиваются на 60 %. Это сопровождается лучшим удалением балластных белков из клетки и их выходом через околовенозные пространства в цереброспинальную жидкость, омывающую мозг{41}. Исследование «наделало шуму» в медицинской среде, поскольку впервые было доказано, что недостаточный сон препятствует эффективному удалению вредных белков, что способствует развитию болезни Альцгеймера. Следовательно, на улучшение сна пожилых людей следует обратить особое внимание. Действительно, в дальнейшем было показано, что нарушение цикла сна-бодрствования, наблюдающееся у людей с возрастом и приводящее к увеличению концентрации бета-амилоида, коррелирует с ухудшением памяти и внимания.
К проявлению восстановительной функции сна можно отнести и улучшение деятельности иммунной системы, связанное со сном. На своем «бытовом» опыте мы знаем, что при инфекционном заболевании количество сна у человека обычно увеличивается. Это связывают со специфическим влиянием на гипоталамический центр сна продуктов клеточной стенки бактерий (мурамилпептидов) – когда они гибнут в большом количестве, то в кровотоке присутствует немалое количество обломков их стенок. Также сонливость при воспалении вызывают компоненты иммунного ответа самого организма – цитокины. Цитокины представляют собой небольшие белки (полипептиды), которые переносят информацию в кровотоке от одних иммунных клеток другим, оповещая эти клетки о вторжении «чужих» и регулируя их реакцию. Один из этих цитокинов, интерлейкин-1, кроме своего основного иммунного действия еще и увеличивает продолжительность сна, воздействуя на центры в головном мозге. Так организм при развитии инфекционного заболевания сам увеличивает время сна, что каким-то образом улучшает его защиту от инфекционного агента.
Действительно, было показано, что сон после вакцинации против гепатита в два раза увеличивает количество иммунокомпетентных клеток (Т-хелперов) и антител класса G1 по сравнению с бодрствованием{42}. Увеличение времени сна способствовало выживанию подопытных кроликов после искусственного прививания им инфекции – это было показано еще в 1993 г. В исследовании здоровых добровольцев, которые согласились на заражение вирусом острого респираторного заболевания, наиболее часто заболевали те, чья продолжительность сна составила менее 7 часов в сутки. Влияние сокращения сна на иммунную функцию отчетливо обнаруживается у людей, работающих по сменному графику и имеющих в связи с этим постоянное ограничение времени сна (о том, почему же нельзя выспаться после ночной смены, мы поговорим в следующей главе){43}. У них повышается риск развития опухолевых заболеваний, например рака молочной железы или лейкемии. Так что в стремлении уменьшить время сна с целью больше заработать нет ничего полезного для организма.
Наиболее распространенные теории назначения сна рассматривают его, прежде всего, как способ восстановления функций центральной нервной системы (ЦНС), точнее, главной ее части – головного мозга. Сон способствует восстановлению так называемых когнитивных функций, т. е. функций, обеспечивающих познание окружающего мира, – это является очевидным даже на бытовом уровне. Вечером мы чувствуем себя уставшими, нам трудно выполнять работу, требующую внимания. Но стоит поспать, даже немного, как наши возможности возрастают. Такой освежающий эффект доказан не только для ночного, но и для дневного сна – это так называемый «эффективный короткий сон» –
Восстановительная теория сна, которая объясняет, что сон нужен для тонкой настройки внутренних органов и вообще для восстановления физических сил, может с успехом применяться и для объяснения того, почему психическая активность после сна оказывается более успешной. Так, учеными было показано, что интенсивность энергетического обмена в мозге во время сна уменьшается так же, как и во всех остальных внутренних органах. Методом позитронной эмиссионной томографии (ПЭТ), который позволяет оценивать интенсивность обмена веществ в конкретном органе, было показано, что поглощение глюкозы – главного источника энергии, в спящем мозге по сравнению с периодом бодрствования уменьшается в два раза. Интересно, что это уменьшение относится только к периоду медленноволнового сна (для людей чаще используют более короткий термин «медленный сон»), в то время как в фазе парадоксального сна (для людей для обозначения этой фазы сна используют термин «сон с быстрыми движениями глаз» или, короче, «быстрый сон») происходит по-другому. У людей в быстром сне обмен веществ в мозге, наоборот, ускоряется, превышая таковой в состоянии спокойного бодрствования. Этот факт не вызывает заметного изменения показателей энергетического обмена в течение всей ночи, поскольку быстрый сон у людей занимает только 20–25 % общего времени сна, а у некоторых животных – и того меньше. Так, за счет снижения метаболизма в период медленного сна и за весь период сна в целом уровень основного обмена в итоге оказывается более низким, чем в бодрствовании, и энергия организмом экономится.
Показано, что уменьшение потребления глюкозы мозгом во сне не связано со снижением ее поступления. Если сравнивать период сна с периодом бодрствования без приема пищи, то во сне концентрация глюкозы в крови остается такой же, она поддерживается механизмом секреции инсулина поджелудочной железой, расщепляющим лишнюю глюкозу. В то же время в самих клетках мозга во время сна глюкозы становится больше, поскольку в других местах организма она расходуется значительно слабее. Состояние медленного сна сопровождается очень экономной работой нервных клеток, что можно видеть на электроэнцефалограмме в виде так называемых медленных волн. Высокоамплитудная электрическая активность в виде медленных волн частотой 0,5–4 Гц возникает, когда большие группы находящихся рядом нейронов синхронно активируются, а затем «замолкают». В бодрствовании основной ритм ЭЭГ иной – каждый нейронный ансамбль работает в своем режиме, поэтому электрические сигналы от этих групп нейронов не суммируются и не достигают большой амплитуды. Такая разнородная активность обеспечивает более высокую базовую частоту альфа-активности бодрствования 8–13 Гц.
Таким образом, энергия во время сна экономится за счет того, что энергетические потребности мозга во время сна снижаются. Кроме этого, было показано, что во сне происходит еще и запасание новой энергии. Основным видом активности нервных клеток является генерация электрического импульса, которая становится возможной за счет работы ионных каналов, избирательно пропускающих ионы калия (K+) и натрия (Na–) внутрь клетки. Источником энергии для обеспечения работы этих каналов является аденозинтрифосфорная кислота (АТФ), которая представляет собой молекулу аденозина, к которой присоединены три остатка фосфорной кислоты. При отсоединении каждого из этих остатков в процессе химической реакции выделяется большое количество энергии. В организме АТФ является одним из самых часто обновляемых веществ. У человека продолжительность жизни одной ее молекулы составляет менее 1 минуты.
Если освежающий эффект сна определяется тем, что за его время происходит запасание молекул АТФ (зарядка клеточного «аккумулятора»), то в мозге животных во время сна количество АТФ будет высоким, а во время бодрствования – более низким. Исследования, проведенные сотрудниками Гарвардского университета в Бостоне, США, в 2010 г. подтвердили это предположение{45}. В лобных отделах мозга крыс было обнаружено увеличение содержания АТФ во время сна. Таким образом, восстановительная функция сна применительно к ЦНС заключается не только в экономии энергии, но и в запасании ее для активной работы в бодрствовании.
Восстановительная функция сна на системном уровне проявляется в предотвращении ухудшения когнитивных функций в течение времени. Чем дольше человек остается бодрствующим, тем в большей степени у него ухудшаются такие когнитивные показатели, как внимание, память, планирование и др. В настоящее время этот феномен начинают объяснять с точки зрения теории «локального сна» – если сам тест или же период бодрствования продолжаются очень долго, то задействованные в его выполнении области мозга периодически начинают «задремывать» и показатели выполнения ухудшаются, что в итоге и приводит к ухудшению когнитивных функций. Даже короткие периоды сна сопровождаются улучшением показателей тестов, поскольку после него вероятность локального засыпания отдельных областей мозга уменьшается. Иными словами, в отношении некоторых когнитивных функций восстанавливающий эффект сна объясняется не накоплением энергии в нервных клетках, а уменьшением вероятности их засыпания во время теста.
Поделиться книгой: