Сон
Период сна делает животных уязвимыми для внешних опасностей, но, тем не менее, представители всех живых видов посвящают ему более или менее продолжительное время. А человек так вообще проводит во сне треть своей жизни. Хотя существует несколько теорий, объясняющих функции сна, он все еще остается одной из величайших загадок биологии.
Признаки сна легко перечислить: животные физически пассивны по сравнению с состоянием бодрствования, менее способны реагировать на раздражители, принимают позу, характерную для своего вида (люди ложатся, летучие мыши повисают вниз головой). Данное состояние можно легко прервать, что отличает его от схожих состояний — спячки (снижение метаболизма на короткий или продолжительный период) и комы (порой необратимое состояние «глубокого сна»). Разного рода формы сна встречаются у всех животных, наделенных нервной системой.
У млекопитающих и птиц два четко выраженных типа сна: быстрый сон (во время которого наблюдается быстрое движение глазных яблок, REM) и медленный сон (NREM). Эти стадии определяются регистрацией мозговой активности на электроэнцефалограмме (ЭЭГ). В NREM нервные импульсы представляют собой синхронизованные волны по всему объему мозга, а в REM мозговые волны хаотичны и напоминают состояние бодрствования. REM была открыта американскими физиологами Натаниэлем Клейтманом и Юджином Азерински в 1953 году. Несколько лет спустя Клейтман и Уильям Демент установили, что сновидения ассоциируются с REM, а в целом сон человека цикличен, и каждый цикл состоит из трех фаз NREM, за которыми следует REM.
Животные в состоянии сна неподвижны, поскольку мозг дает телу команду полностью расслабиться, ограничивая его движения лишь необходимыми для жизни — дыхание и слабые мышечные фибрилляции вроде движения глазных яблок. Регулирующую систему обнаружил в 1959 году французский нейробиолог Мишель Жуве, который наблюдал кошек с повреждениями ствола головного мозга в области варолиева моста. Травмированный варолиев мост не в состоянии тормозить моторные центры в продолговатом мозге, от которых и зависит мышечная атония (паралич). В фазе быстрого сна кошки Жуве вели себя так, словно на них нападал невидимый враг, — они претворяли в жизнь собственные сны.
Функции сна
Как сказал однажды исследователь сна Аллан Рехтшаффен, «если сон не является абсолютно необходимой жизненной функцией, тогда он самая большая ошибка эволюции». Эксперименты Рехтшаффена в 1980-е доказали, что крыса, помещенная на диск, плавающий в ведре с водой, не в состоянии уснуть из-за страха утонуть. Через две-три недели животное погибало. У человека лишение сна сопровождается снижением когнитивных способностей, изменением настроения и разрушением личности. Но между тем перелетные птицы могут долгое время обходиться без сна, а голуби, подвергнутые тому же эксперименту, что и крысы, не испытывают болезненных ощущений, так что, вероятно, сон не для всех имеет столь существенное значение.
Существуют три основные теории, объясняющие нашу потребность в сне: накапливание энергии, отдых и восстановление, поддержание деятельности мозга. Большая бурая летучая мышь, ночной хищник, спит 20 часов в сутки, так что она скорее экономит энергию, чем восстанавливается после всего лишь четырех часов охоты. Разумеется, телу необходимо восстанавливать себя и пополнять запас веществ, израсходованных в период активности. В конце концов, сон, возможно, укрепляет нейронные связи, обеспечивающие обучение и запоминание, — исследования Роберта Стикголда показали, что после сна человек вспоминает гораздо лучше. Вес человеческого мозга составляет всего 2% от общей массы тела, но потребляет 20% калорий, расходуемых при спокойной ходьбе, так что спад активности вполне может давать существенные преимущества.
Но в каждой из теорий сна есть слабые места. Если сон призван накапливать энергию, то почему животные, вышедшие из состояния спячки, так измучены? Если он способствует восстановлению, почему организм синтезирует больше белков в период бодрствования? А если сон поддерживает работу мозга, почему китообразные (киты и дельфины, одни из самых разумных млекопитающих) выключают лишь половину своего мозга во время сна, на период до двух часов? В период этого «однополушарного сна», как выяснил Джером Сигел, китообразные продолжают плавать, не натыкаясь на предметы, и у них отсутствует фаза «быстрого сна». В целом само наличие REM опровергает большинство объяснений, поскольку активность мозга в это время вполне сопоставима с бодрствованием. Весь комплекс противоречий заставляет предположить, что «сон» — это довольно общий термин, описывающий разнообразные процессы, которые лишь происходят одновременно в период отдыха.
Цикл сон—бодрствование
В 1980-м швейцарский исследователь Александр Борбели предположил, что сон регулируется двумя процессами: внутренние часы определяют — когда, а гомеостатический механизм — сколько. Внутренние часы — это хронометр, синхронизированный с внешними факторами типа солнечного света, а гомеостатические структуры запускают или останавливают сон в зависимости от его дефицита или избытка. Неизвестно, как это работает, но отсутствие сна заставляет клетки базальных отделов переднего мозга выделять аденозин, и, вероятно, его уровень действует как своеобразный «счетчик».
«Сон-это тема, в которой почти каждый считает себя специалистом в силу личного опыта и личной заинтересованности» Натаниэль Клейтман
И внутренний хронометр, и гомеостатические механизмы расположены в гипоталамусе — небольшой области размером с миндалину прямо над стволом мозга, — который также регулирует аппетит, жажду и другие функции. Точнее, оба регулятора сна находятся в скоплении нейронов под названием SCN (супрахиазмальное ядро). С наступлением темноты клетки глаза отправляют сигнал SCN, побуждая эпифиз выделить гормон мелатонин, который распространяет команду ко сну по всему организму. Но фактическим «переключателем» циклов сна— бодрствования становятся гормоны гипокретины или орексины, которые «пробуждают» мозг. Эти вещества, открытые в 1998 году двумя независимыми группами исследователей, синтезируются гипоталамусом и напоминают секретин — гормон, регулирующий водный обмен в организме.
В 1970-х Уильям Демент из Стэнфордского университета изучал на собаках нарушения сна. Вслед за ним Эммануэль Миньо занялся исследованием нарколепсии, внезапного засыпания, в результате чего была обнаружена связь между различными проблемами сна и открыт гормон гипокретин. Доберманы наследовали мутацию рецепторов гипокретина, а у людей с нарколепсией были повреждены клетки гипоталамуса, синтезирующие гипокретин. Сейчас ученые стремятся создать искусственный гормон — не только для лечения нарколепсии, но для всех, кому нужно сохранять состояние бодрствования и активности, для пилотов или водителей- дальнобойщиков. Мы, может, и не знаем, почему мы спим, но зато вскоре сможем регулировать это загадочное состояние.
Фазы и циклы сна
На протяжении трех стадий NREM (фазы глубокого сна) мозговые колебания замедляются, становятся все более синхронизированными, и животное все труднее разбудить, с достижением максимума на стадии N3 - глубокий сон. Затем активность мозга нарастает, наступает фаза быстрого сна (иногда с коротким пробуждением), а затем цикл начинается вновь. У взрослого человека каждый цикл длится около 90 минут.
Сновидения
Сновидения - это последовательность образов, мыслей и чувств, переживаемая в бессознательном состоянии. Явление не менее загадочное, чем сон, имеет множество теорий, его объясняющих. Одну из первых предложили в 1977 году психиатры Аллан Гобсон и Роберт Маккарли. они считали, что сновидения - это всего лишь побочный эффект хаотичной мозговой активности, которой мозг пытается придать смысл, соединяя в некую историю. Другая теория заключается в том, что сны, зачастую повторяющие недавние события, каким-то образом участвуют в процессе обработки информации. В 2000 году зоолог Дэниэл Марголиаш обнаружил, что мозговая активность двигательной коры зебровой амадины, которая пела днем, соответствует активности во время сна - возможно, птичка репетирует свои песни во сне. Исследования нейробиолога Мэтью Уилсона на животных доказали, что крысам снятся их действия в период бодрствования (бег по лабиринту, например), - это подтверждается нейронной активностью гиппокампа, области мозга, что формирует память. Остается неясным, способствуют ли истории в наших снах укреплению памяти, но поскольку большая часть сновидений происходит в период «быстрого сна», представляется разумным, что нам снятся преимущественно отражения функций самой REM-фазы.
