Спать для мозга

«Sleep is of the brain, by the brain and for the brain, – пишет бостонский сомнолог Аллен Хобсон. – Сон исходит от мозга, создается мозгом и служит мозгу». Это полемическое утверждение он обосновывает тем, что наиболее убедительные ответы на вопрос о смысле сна дает именно нейробиология.

Сегодня мы знаем, говорит Хобсон, что в начале сна примерно столько же нейронов повышает свою активность, сколько и понижает.

«Даже в фазе МС, когда сознание может быть полностью отключено, мозг остается показательно активным». Нейробиологи все пристальнее наблюдают за тем, что происходит в спящем мозге: благодаря ЭЭГ вы­сокого разрешения, регистрирующей с помощью множества электро­дов активность коры больших полушарий, они вышли на след феномена локального сна. Сейчас у испытуемых в лаборатории сна снимают даже магнитно‑резонансную томограмму, чтобы запечатлеть на снимке, ка­кие части мозга трудятся в данный момент больше, а какие меньше.

Наблюдая за работой спящего мозга, ученые обнаружили, что боль­шой мозг несколько снижает обороты, когда мы находимся в бессозна­тельном состоянии, но есть и такие нервные центры – прежде всего, в промежуточном мозге и стволе мозга – которые в момент засыпания, напротив, особенно активны. Специалисты сразу видят по снимкам, бодрствует человек, погружен в глубокий сон или в БС. Три эти состо­яния соответствуют трем разным моделям электрической активности мозга. Предполагается, что мозг в каждом из этих состояний выполняет разные, специфические задачи.

Многое указывает на то, что наш мозг во сне занят работой по консо­лидации: закрепляет воспринятое в состоянии бодрствования. Правда, ученые пока не знают, как именно происходит запоминание. Кроме того, сейчас идет спор о том, для всех ли видов животных память одинаково важна, а также о том, могут ли процессы консолидации протекать и в состоянии бодрствования, если мозг достаточно спокоен.

Бесспорно одно: мозг во сне работает – и затрачивает при этом ог­ромное количество энергии. Ученые обнаружили, что даже во время глубокого сна, когда большая часть нейронов большого мозга ведет себя особенно спокойно, их активность составляет 80% от бодрству­ющего состояния. Дело, которым они заняты в это время, по крайней мере у высших животных и человека должно быть одной из важнейших причин потребности в сне. Ведь клетки большого мозга, изолированные в тканевой культуре, самопроизвольно впадают в стадию глубокого сна, если им достаточно долго не давать спать.

Сомнологи из Мэдисона Джулио Тонони и Кьяра Чирелли предста­вили в 2003 г. модель задач легкого и глубокого сна, которая прекрасно согласует прежние наблюдения над активностью спящего мозга с эк­спериментами по консолидации памяти во сне и соображениям о го­меостатической регуляции необходимой продолжительности сна. Ког­да мы бодрствуем, учимся, узнаем что‑то, между нейронами постоянно возникают новые энергозатратные контактные зоны, так называемые синапсы, а уже существующие укрепляются. «В основе обучения лежат стойкие изменения в силе и количестве синаптических связей между нейронами, управляемые сложными каскадами событий на клеточном уровне», – пишут Тонони и Чирелли.

Без этой пластичности мозга, особенно выраженной у новорожденных и маленьких детей, обучение было бы вообще невозможно, поскольку оно состоит именно в выстраивании новых ассоциативных сетей, позволяю­щих впоследствии снова вызвать воспоминание. Во сне с этой пластич­ной, постоянно меняющейся нервной системой явно что‑то происходит. Тонони и Чирелли подозревают, что лишь малая часть новых и подкреп­ленных нейронных связей действительно важна и нуждается в долгосроч­ном сохранении. Но поскольку каждый из синапсов – в том числе и неваж­ные – затрачивает массу биохимических веществ и энергии, в течение про­должительного бодрствования накапливается потребность в упрощении все более сложного сплетения ассоциативных связей в мозге. Постепенно переполняемый синапсами мозг вносит свой вклад в гомеостатическую компоненту S, которая вызывает растущую сонливость по мере длитель­ного бодрствования. Ученые говорят о «синаптической нагрузке».

В конце концов мозг поддается растущей потребности и погружается в сон. Теперь синапсы в большом количестве упраздняются или ослабляют­ся. В результате остаются лишь особенно сильные и важные связи, то есть те, которыми мозг в бодрствующем состоянии пользовался особенно часто и интенсивно. Этим объясняется не только положительное влияние сна на общую умственную работоспособность, но и экспериментально доказан­ное улучшение памяти во сне: благодаря упразднению большинства лишних синапсов «на уровне нейронов оптимизируется соотношение между важными сигналами и несущественным «шумом», – пишут исследователи.

В следующей затем фазе БС, когда нервные клетки снова проявляют не меньшую активность, чем в состоянии бодрствования, закрепляются, вероятно, синапсы, сумевшие устоять перед масштабной ликвидацией в предшествующий период глубокого сна. Тем самым дополнительно углубляется консолидация памяти.

Но самое важное в новой модели – то, что она предлагает возможное объяснение феномена дельта‑волн. На гребне дельта‑волны практичес­ки все клетки большого мозга возбуждены одновременно, во время ее спада все они одновременно успокаиваются. Это идеальное состояние для ликвидации синапсов.

В то же время такой рисунок возбуждения блокирует нормальную об­работку информации, необходимую для бодрствующего сознания. Сле­довательно, медленно, но строго синхронно колеблющееся возбуждение всех нейронов большого мозга требует сна и одновременно поддерживает биохимические процессы, лежащие в основе масштабной ликвидации синапсов, предполагают ученые из Мэдисона. Это позволяет объяснить и тот факт, что потребность в глубоком сне с возрастающей продолжи­тельностью сна резко снижается; становится ясно, почему глубже спят те участки мозга, которые интенсивнее работали во время бодрствования: им нужно ликвидировать больше контактных зон.

Те клетки мозга, которые вовсе не участвуют в общей обработке ин­формации во время бодрствования и могли бы просто отдыхать, также спонтанно активизируются и устанавливают контакты с соседями. Сле­довательно, они тоже повышают синаптическую нагрузку и вызывают, по крайней мере, в теории, гомеостатическую потребность в сне. Это помога­ет объяснить, почему животным приходится выходить из зимней спячки, чтобы спать, и почему даже изолированные срезы коры больших полуша­рий в чашке Петри порождают со временем волны глубокого сна.

Эта модель еще далеко не доказана. Но она объясняет потребность в глубоком сне лучше, чем чрезвычайно популярная теория 1995 г., соглас­но которой мозговые клетки используют сон главным образом для того, чтобы пополнить запасы растраченной в состоянии бодрствования энер­гии. Сама по себе идея американцев Джоэля Бенингтона и Крэга Хеллера вовсе не лишена основания. Мозговые клетки действительно заправля­ются глюкозой в первую очередь во сне. Но, судя по всему, эта потреб­ность – лишь одна из многих компонент, со временем усиливающих сонливость; при этом ее удовлетворение не зависит полностью и исклю­чительно от сна. Новые исследования – в том числе, анализ локального сна у мышей Ирен Тоблер – показали, что запас глюкозы в клетках мозга пополняется и тогда, когда мышам не дают спать, и что этот процесс про­текает независимо от появления длинноволнового рисунка ЭЭГ.

Сейчас и сам Бенингтон пересматривает свою теорию 1995 г., пред­полагая, что сон – прежде всего основа пластичности мозга. Новая концепция, с которой согласен и Маркос Фрэнк, предполагает даже, что в глубоком сне происходит не только массовая ликвидация синапсов, но и целенаправленное усиление особо важных контактных зон между нейронами, способствующее закреплению в мозгу новых сетей.

В целом их гипотеза, о которой сами авторы говорят, что она далека еще от совершенства, звучит так: ритмы активности мозговых клеток во сне, от тета‑ и дельта‑волн, сонных веретен и К‑комплексов до полных циклов сна, не могут быть случайными. Однако нужно еще эксперимен­тально доказать, что эти ритмы каким‑то образом служат изменению контактов между нейронами. Если это удастся, можно будет считать, что исходный смысл сна состоит действительно в «повышении синаптической пластичности». Другими словами, тогда мы будем знать, что сон создан для лучшей обучаемости.