Как устроены биологические часы и зачем нам сновидения?

Институт экологии растений и животных Уральского отделения Российской академии наук прячется в глубине Ботанического сада, что на Южной трамвайной станции. В минувшие выходные там завершилась большая конференция молодых учёных, посвящённая экологии. Автор IMC Елена Бабушкина побывала на одной из лекций и записала конспект выступления известного учёного-популяризатора, доктора биологических наук, сомнолога, участника проекта «ПостНаука» Владимира Ковальзона. Уже полвека он исследует физиологию сна, ставит эксперименты, переводит книги зарубежных сомнологов, публикует собственные статьи и очерки, посвящённые сну.

Как устроен сон

За ночь у человека сменяются три-четыре цикла сна – каждый продолжительностью около 90 минут. Первую часть ночи мы спим медленным сном без сновидений, вторую – быстрым сном, или парадоксальным. Для этого периода характерны полное мышечное расслабление и необычайная активность работы мозга.

Механизмы бодрствования, медленного сна, быстрого сна и косвенно связанный с ними механизм биологических часов изолированы по своим функциональным возможностям. У каждого – собственная эволюционная генетическая история, анатомия, физиология и биохимия. Блоки взаимодействуют между собой, но обособлены. Благодаря этому мы можем работать в ночную смену, а днём отсыпаться.

В период медленного сна активизируется моторика, именно в этом цикле происходит лунатизм. У маленьких детей парасомния возникает по завершении каждого цикла сна: ребёнок может сесть в постели, начать разговаривать, двигаться. И это нормально. Сохраняясь во взрослом возрасте, лунатизм становится патологией.

Мы видим сновидения во время быстрого сна. Обычно при этом двигаются только мышцы глаз, а остальные находятся в покое. Однако порой поток импульсов из активных в парадоксальной фазе систем бывает настолько мощным, что пробивает сильнейшее тоническое торможение, направленное на спинной мозг. В результате у кошек могут дёргаться усы, у человека – подрагивать конечности. Возникновение таких процессов (сомнологи называют их фазическими) помогает диагностировать разные заболевания.

Судороги конечностей, крики во сне и другие неадекватные движения могут свидетельствовать о приближающейся болезни Паркинсона. Это важный для медицины ранний предиктор, позволяющий отодвинуть начало болезни на десять-двадцать лет.

Живые существа реализуют цикличность сна по-разному. Крупные хищники, которые никого не боятся, или норные животные спят спокойно. У них много быстрого сна, имеющего максимальный порог пробуждения. Попробуйте разбудить человека, когда у него подёргиваются веки – вам вряд ли это удастся.

С другой стороны, у копытных такой возможности нет. У лошади всего полчаса быстрого сна, которые она реализует одномоментно. Медленный сон она переживает стоя, а для быстрого ложится на круп и выдаёт всю суточную квоту необходимого быстрого сна. В стаде спящие лошади размещаются в центре, а по краям стоят охранники, оберегающие спящих от хищников.

Удивительным образом спят ушастые тюлени, котики, морские львы и сивучи. Часть своей жизни они проводят на лежбищах, где размножаются, часть – в море, гоняясь за косяками рыбы. На суше все эти животные спят, как и мы, обоими полушариями одновременно, имеют выраженную фазу быстрого сна с подёргиванием усов и плавников. Однако на воде полушария бодрствуют попеременно, контролируя движения подгребающей во время сна ласты и обращённый на поверхность глаз. Быстрый сон у морского котика редуцирован до секундных фрагментов, а у дельфина, живущего в воде постоянно, он просто отсутствует.

В науке нет задокументированных примеров отсутствия у человека полного сна. Сомнолог Мишель Жуве описывает лишь один патологический случай, когда к нему на лечение попал человек, подхвативший в Африке вирусную хорею. Помимо высокой температуры и других патологий, за полгода записи энцефалограммы у пациента не было зафиксировано никакого сна. К сожалению, спасти его не удалось.

Зачем мы спим

Эволюция создала состояние медленного сна без сновидений, чтобы реализовать целый список функций, которые по каким-то парадоксальным причинам не могут быть активизированы в бодром состоянии.

Существует процесс, который в шутку называется «вантузом». Мириады ионных канальцев, расположенных в нервных клетках, при длительном бодрствовании засоряются. Когда кора головного мозга переходит из состояния бодрствования в состояние медленного сна, меняется электрическая активность, и мощнейшие скачки потенциалов производят прокачку ионных канальцев. На электрическом уровне это выглядит так, будто мы прочищаем раковину.

Во время сна мозг реализует дренажную функцию, избавляясь от уродливых белков. Гипотеза о синтезе макромолекул основана на том, что некоторые макромолекулы почему-то не могут быть синтезированы во время бодрого состояния – особенно это касается молекул, связанных с обменом холестерина. На уровне нашего тела инактивация уродливых белков, накапливающихся с возрастом, решается с помощью лимфатической системы. Она переносит их в почки и печень, где они разрушаются. Мозг же этой системой обделён, и ненужные молекулы не могут проникнуть в венозные капилляры.

В 2013 году группа датских исследователей в США доказала на примере мышей, что во время медленного сна в головном мозге открываются особые канальцы, через которые уродливые белки эффективно удаляются. Нарушение этого удаления приводит к образованиям бляшек, которые провоцируют развитие старческих заболеваний – болезней Альцгеймера и Паркинсона.

Согласно одной из гипотез, во время сна мозг оптимизирует управление внутренними органами. У нас нет второго мозга, чтобы заниматься внутренними делами, поэтому в состоянии бодрствования мозг загружен анализом информации, поступающей извне. Времени на кишечник, сердце, печень и почки у него нет. Зато в период медленного сна кора головного мозга переключается и начинает работать с информацией, поступающей от внутренних органов. Те же самые нейроны, что в бодрствовании реагируют на зрительные образы, во сне реагируют на импульсацию, приходящую, например, от кишечника, и управляют им.

Одна из важнейших загадок сомнологии – место, где сохраняется память о сне. Если вы не выспались, воспоминание об этом будет храниться в динамической памяти в течение многих месяцев, пока потребность не будет удовлетворена. Стереть информацию о недосыпе может только электрошок. И даже в этом случае вы обязательно провалитесь в компенсирующий сон при первой же возможности, когда окажетесь вне давления социума.

Главная задача современного человека – высыпаться. Если в XIX веке человек засыпал верхом или на телеге, лошадь либо продолжала движение, зная дорогу, либо останавливалась. Что происходит, когда водитель засыпает на доли секунды на скорости в 80-100 километров в час, вы знаете сами. Сейчас все сомнологи мира заняты решением проблемы недосыпа, изучают спонтанное засыпание и чрезвычайную сонливость днём. В Европе даже ходит специальный Wake up bus, агитационный автобус.

Недавно в Европе приняли специальный закон, предписывающий контролировать людей с апноэ сна. Это заболевание характерно для молодых людей, занятых бизнесом. Они испытывают постоянные стрессы, склонны курить и пить, мало занимаются спортом и однажды начинают храпеть. Во время апноэ кратковременно прекращается лёгочная вентиляция, что чревато недосыпанием и нарушением кровоснабжения мозга. Такие ночи опасны состоянием, когда человеку кажется, что он выспался, а мозг на самом деле не спал.

Если вы знаете подходящего под описание человека – порекомендуйте ему пройти специальное обследование. Апноэ сна эффективно лечится немедикаментозно, при помощи прибора под названием СИПАП (CPAP).

Как работает мозг во время сна и бодрствования

В университетах учат, что главной системой мозга является его кора. Однако кора нуждается в дополнительной активации: система, обеспечивающая состояние бодрствования, не встроена в неё. Вы можете меня слушать, а я могу выступать перед вами благодаря восходящим влияниям скоплений нервных клеток, расположенных на всём протяжении мозговой оси. В свою очередь, нисходящие влияния этих клеток обеспечивают работу спинного мозга.

Что происходит, когда прерывается нисходящая активация, мы видим на примере Стивена Хокинга. Он болен БАС – боковым амиотрофическим склерозом. Активация вверх у него в полной сохранности, что демонстрирует его потрясающий мозг, а нисходящая активация исчезла полностью, потому что атрофированы проводящие пути.

Прерывание восходящего активирующего влияния на кору вызывает кому. Вся наша когнитивная деятельность, способность мыслить, разговаривать, думать и чувствовать связана с этим потоком. Без восходящих влияний кора головного мозга не работает и молчит. Зрение, слух – всё на самом деле является вторичным и работает только в условиях восходящих активаций.

Циклы сна позволяют прогнозировать выход из комы. В поверхностной коме человек находится без сознания, но его мозг сохраняет цикличность сна. И если ночная полиграфическая запись регистрирует обе фазы сна, медленную и быструю, при правильном лечении больной выйдет из комы с вероятностью в 100 процентов.

Если быстрый сон у больного отсутствует, но сохранился глубокий медленный сон, остаются 30% шансов на выход из комы. А вот если у человека исчезли обе глубокие фазы сна, то шансов на спасение ноль. Как бы хорошо ни билось его сердце, это – живой труп.

Источник активирующего кору импульса был открыт в конце девяностых. Оказалось, что в области гипоталамуса находятся клетки, вырабатывающие пептид орексин. В нашем гигантском полуторакилограммовом мозгу их совсем немного – всего 70-80 тысяч нейронов. Но они играют важнейшую роль и являются верхним звеном над всеми остальными.

Чередование периодов бодрствования, медленного и быстрого сна обеспечивает меланин-концентрирующий гормон. Учёные обнаружили его в гипофизе лосося, и первое время считали, что это просто гормон, вызывающий изменение окраски рыбы во время нереста. Через несколько лет оказалось, что это важнейший медиатор в нашем головном мозге и никакого отношения к окраске чешуи, естественно, не имеет.

Нейроны, вырабатывающие меланин-концентрирующий гормон, перемешаны с нейронами, вырабатывающими орексин. Они взаимно тормозят друг друга, обеспечивая чередование циклов бодрствования и сна.

Эволюция сделала процесс засыпания плавным, чтобы животное уцелело во время сна. Центр сна активируется постепенно, чтобы мы могли повременить, отложить момент засыпания, найти укромное место, закопаться, залезть на дерево, спрятаться в щель, угнездиться и, наконец, заснуть. Механизм работает в передней области гипоталамуса, и многие нарушения сна связаны с нарушениями его функции. К сожалению, снотворные вещества оказывают на него сильное разрушающее воздействие и остаются очень нежелательными.

Сон под воздействием алкоголя приравнивается к медикаментозному. Он не содержит цикличности и по ряду признаков является патологией. Если здоровому человеку снотворное убивает мозги, то для закоренелого алкоголика это – адекватный метод лечения, позволяющий восстановить разрушенный сон.

В 2001 году в задней части мозга был открыт ещё один центр медленного сна, работающий параллельно с уже известным. Поразительно, но между этими двумя центрами нет прямой связи, они работают независимо. Вопрос его изучения, очевидно, напрямую связан с возникновением и прекращением комы.

Зачем нужны сновидения

Во время сна со сновидениями мозг активен так, как бывает активен в период эмоционального стресса. Но эта активация странная и отличается от эмоциональной активности в состоянии бодрствования. Когда мы видим сны, не работают никакие сенсорные системы, потому что мы наблюдаем их не глазами, а внутренним взором.

При этом очень сильно активируются эмоциональные механизмы, причём у взрослых они чаще связаны с негативной эмоциональной окраской. Активируются и механизмы памяти, и процесс этот направлен на извлечение воспоминаний. Пережитый опыт причудливо комбинируется, но обратно в память не поступает. Это неслучайно и хорошо: сны как эволюционный продукт существуют не для того, чтобы их запоминали. Так проявляется феноменально высокая активность мозга во время сна.

Мишель Жуве предполагает, что подобная активность мозга нужна для передачи генетической информации. Животное, рождаясь, уже очень многое знает и умеет. Возможно, память о поведенческих актах, заложенная в генах, переходит в память нервной системы именно во время быстрого сна. А высокую активацию мозга вызывает очередная перезапись данных, которая сохраняется без выхода во внешний мир.

Существуют три теории появления сновидений: неофрейдистская, трёхмерная модель Хоббсона и нейрокогнитивная. Они взаимно дополняют друг друга, но наиболее продвинутой является нейрокогнитивная теория Фулкса и Домхоффа. Учёные считают, что сновидения – всего лишь следствие активации зрения во сне. Мозг не может не продуцировать причудливые образы, поскольку мы животные зрительные.

Вербальный отчёт о сне – это психологический феномен. Люди чаще отчитываются о сновидениях в состоянии эмоционального напряжения. Нечто тревожит их настолько, что прорывается даже во сне. Психологи считают, что нормальный, здоровый человек не испытывает потребности рассказывать о сновидениях.

Странно, что у нас действует запрет на продажу лекарств, но не запрещена пропаганда осознанных сновидений. Человек обучается каждую ночь программировать необычайные приключения во сне. Это приводит к тому, что сны превращаются в галлюцинации, которые начинают преследовать его и в бодром состоянии. По сути, это наркомания без наркотиков. Возникают психозы, наступает шизофрения.

Как работают биологические часы

Биологические часы – вещь, связанная с механизмами сна и бодрствования очень косвенно. В 1994 году, когда казалось, что глаза млекопитающих давно изучены вдоль и поперёк, учёные обнаружили там неизвестные элементы, не имеющие никакого отношения к зрению. Они реагируют только на уровень освещённости и сигнализируют не в зрительную систему, а в супрахиазмальные ядра гипоталамуса.

Наличие этих ядер необходимо и достаточно, чтобы биологические часы работали и управляли ритмом целого организма. Если хомячку удалить супрахиазмальные ядра и подсадить ему ядра донорского хомяка, у которого другой ритм жизни – например, суточная периодичность сна – он тут же начнёт спать один раз в сутки.

Биологические часы – это машина, зашитая в мозг на заре эволюции. Как атомные часы, она продолжает тикать во всех живых организмах, невзирая на социальные факторы и стресс. Но зато чувствительна к свету.

У большинства людей суточный ход биологических часов составляет не 24 часа, а 25. Мы подводим их каждое утро, когда раскрываем шторы. Солнечный свет падает на глаза и мгновенно перестраивает работу биологических часов. Электрический свет здесь малоэффективен. Именно поэтому важно вставать после восхода или, по крайней мере, с первыми лучами солнца, а не в темноте.