Текст книги "Сон под микроскопом. Что происходит с нами и мозгом во время сна"

Спустя 10 лет после последнего крупного прорыва в исследованиях биологических ритмов плодовой мушки, в 2009 году, Холл, Росбаш, Янг получат первую большую (с довольно приличной суммой вознаграждения в 500 тыс. долларов США) премию Грубера по нейронаукам; в 2011 году прилетает «благая весть» о премии Луизы Гросс Хорвиц – Колумбийский университет присуждает ее за вклад в фундаментальные исследования в области биологии или биохимии; в 2012 году они получают престижную канадскую «биомедицинскую» награду фонда Гайрднера и за исследования молекулярных основ циркадианных ритмов премию Мэссри; в 2013 году – премию фонда Уайли, основанную лауреатом Нобелевской премии 1999 года биологом Гюнтером Блобелом, и премию Шао, которую получают те, кто «содействует общественному прогрессу, повышает качество жизни и обогащает духовную цивилизацию человечества». Удача не приходит одна. Но если вы однажды задумаетесь, почему в нашем современном мире есть еще много таинственных и странных явлений, понимание которых могло бы изменить отношение к миру или только к своей жизни, вспомните о правиле G; возможно, чтобы достичь цели, кому-то не хватает лишь одного компонента.

Глава V
Сон от рождения до смерти

Сон или жизнь?

Принято считать, что мы проводим треть жизни во сне, остальное время бодрствуем. Бодрствование – это все наше осознанное бытие, включая активную и пассивную деятельность, и если определить каждое действие отдельно, то не останется никакого сомнения, что для сна действительно отводится значительная часть времени нашей жизни – больше, чем для любого другого вида занятий или отдыха. Как так получилось, что мы нуждаемся в таком количестве сна? Какую роль в этом сыграла эволюция? Это те вопросы, на которые мы и стремимся ответить в этой книге.

Если сон не играет жизненно важную роль, то это самая большая ошибка, когда-либо допущенная эволюцией.

Известный исследователь сна Аллан Рехтшаффен[78]78
  Аллан Рехтшаффен (1927–2021) – американский психиатр и психолог.


[Закрыть] замечал, что если сон не играет жизненно важную роль, то это самая большая ошибка, когда-либо допущенная эволюцией. Рехтшаффен всю жизнь разгадывал тайну сна и довольно много времени в последней четверти XX века проводил, наблюдая за лабораторными крысами, которых лишал сна. Сооруженный для экспериментов аппарат назывался «диск над водой»[79]79
  С англ.: Disk-over-water method.


[Закрыть]. В поддон с водой был установлен довольно большой диск, который мог медленно вращаться. На нем, разделенном пополам плексигласовой стенкой, сидели две крысы с вживленными в их мозг электродами. Участницы эксперимента получали все, что им было нужно, но одной из них не позволяли спать. Едва электроды регистрировали начало сна, диск начинал медленно поворачиваться, и если крыса не просыпалась и не проходила на несколько шагов вперед – против движения диска, то обязательно попадала в воду, не самое предпочитаемое место обитания грызунов. Хотя редкие исключения в эксперименте фиксировались: в не очень глубокий поддон наливали воды столько, чтобы она доставала крысам «по колено», и самые умные из животных, попадая в воду, умудрялись в ней засыпать. Видели гиппопотамов, погруженных в водоемы зоопарков? Так примерно выглядели спящие крысы в экспериментах Рехтшаффена: из воды торчали нос, глаза и уши умных крыс. Вторая крыса служила контрольным субъектом. Она должна была передвигаться в противоположную сторону от первой крысы каждый раз, когда диск вращался, но могла спать в любое время, когда диск оставался неподвижным. Спустя две-три недели крыса, которой не позволяли спать, погибала. Результаты многочисленных наблюдений интерпретировали как свидетельство того, что сон жизненно необходим.

Ошибки природы

Делала ли эволюция ошибки? Мы не будем утверждать обратное. Наш мир далек от совершенства, и в идеальном случае потребуется не меньше нескольких миллиардов лет, чтобы исправить неправильности, совершенные эволюцией, и предотвратить новые неудачные шаги. Впрочем, на вопрос можно посмотреть и по-другому. А что если «ошибки природы» на самом деле таковыми не являются? Возможно, неудачные решения – на наш современный взгляд – имеют какое-то другое, более глубокое эволюционное значение, которое все еще для нас не очевидно или трудно постигаемо (даже на основании имеющихся в нашем распоряжении знаний и представлений о жизни).

Скорее всего, вы слышали о существовании заболеваний, связанных с мутацией генов. Серповидноклеточная анемия – пример одного из таких недугов, при котором нарушается структура белка гемоглобина, что влечет за собой изменение формы эритроцитов, и те становятся «серповидными». Наследственные изменения, вызванные заболеванием, получают потомки, и естественно предположить, что если бы мутация имела только отрицательные последствия, то давно была бы исключена эволюционным процессом. Однако этого не произошло! Серповидноклеточная анемия в большей мере распространена в тех областях земного шара, где часто встречается малярия, и примечательно, что носители этой мутации обладают определенной защитой от малярийного паразита Plasmodium, который предпочитает страны с подходящими климатическими условиями для быстрого размножения.

Другой пример: сбой в работе организма, приводящий к нарушению обмена веществ, которое в свою очередь может способствовать накоплению избыточного веса, – без сомнения, патологическое состояние. Но почему в таких случаях гены, ответственные за возникновение избыточного веса, до сих пор существуют? Кстати, несколько современных теорий предполагают, что в определенных условиях накопление резервов – это не что иное, как механизм приспособления к надвигающемуся неурожаю и голоду. Можно ли в таком случае считать избыточный вес «ошибкой природы»?

Даже некоторые психиатрические заболевания, такие как депрессия, могут непосредственно или опосредованно служить выживанию. Недавно британский нейропсихиатр, кембриджский ученый Эд Буллмор выдвинул теорию об иммунологическом происхождении депрессии. Он заметил, что симптомы, которые сопровождают состояние депрессии, идентичны признакам недомогания или инфекционных заболеваний, проявляющихся в виде лихорадки. Защитная реакция заболевшего организма приводит к подавленному состоянию и отсутствию стремления кого-либо видеть. Такая вынужденная изоляция от общества необходима, чтобы уменьшить возможность распространения инфекции вовне. В тяжелых случаях, особенно среди животных, изоляция может проявиться со стороны своей группы или стаи, что, скорее всего, приведет к смерти, причиной которой будет голод, холод или хищники. Но результатом такого опыта станет выживание группы и вида в целом ценою жизни каждого отдельно существующего организма.

Считается, что старение и смерть – это самый яркий пример того, как индивидуумы жертвуют собственной жизнью для успеха и выживания собственного вида. А что же происходит со сном в течение жизни? Играет ли он одну и ту же роль от момента рождения и до мгновения смерти?

Несколько столетий назад сон сравнивался со смертью, и до сих пор встречается употребление этого сравнения, в переносном значении, конечно. Шотландский врач и философ XIX века Роберт Макниш в своем знаменитом трактате «Философия сна»[80]80
  The Philosophy of Sleep, 1830.


[Закрыть], выдержавшем пять изданий только при жизни автора, констатировал, что сон – это промежуточное состояние между бодрствованием и смертью. Естественно, сравнение сна со смертью в понимании последней как необратимого прекращения всех жизненных функций все же скорее поэтический прием, создающий определенный эмоциональный настрой, – каждому известно, что жизненные функции организма и мозга не прекращают свою деятельность даже в самых глубоких стадиях сна. Но как насчет сознания или, точнее, его отсутствия? Можно ли сравнить исчезновение самосознания во сне со смертью?

Сон – это промежуточное состояние между бодрствованием и смертью.

Во время сна без сновидений наше существование прекращается, по крайней мере для спящего субъекта. Глубокая анестезия (общий наркоз), которая необходима для проведения операций, сравнивается со сном. Врачу проще привести привычную, знакомую всем метафору о сне, чтобы пациент чувствовал себя комфортнее, чем объяснять детали искусственно вызванного наркозом состояния, скорее похожего на кому – «глубокого сна» в переводе с древнегреческого языка. Коматозное состояние в некотором смысле можно поместить в континуум между сном и смертью. Оно может наблюдаться при травмах мозга и после инсульта, когда нарушаются связи между мозговыми центрами, которые отвечают за поддержание сознания и бодрствования, или происходит разрушение этих центров от механического воздействия или прекращения доставки кислорода. Существует множество типов коматозных состояний, но в ряде случаев электроэнцефалограмма во время комы действительно может выглядеть похожей на глубокий сон, во время которого мозг переходит из состояния бодрствования в синхронизированное состояние, когда миллионы нейронов начинают разряжаться и замолкать в унисон с периодичностью в несколько секунд. Мозговая активность в коме характеризуется относительно «простым» паттерном электрической активности, и если измерить количество разрядов, так называемых потенциалов действия, спайков (пиков) электрической активности, производимых нейронами, то можно проследить, как они начинают появляться практически одновременно в разных областях коры мозга: вверх, вниз, вверх, вниз. Считается, что именно этот паттерн (характер активности) приводит к потере сознания. Чем меньше информации содержится в мозговых разрядах, чем проще и однообразнее поведение нейронных сетей, тем меньше возможности для реализации сложной динамики нейронных взаимодействий, которые необходимы, чтобы поддерживать сознательные процессы.

Но самое занимательное в истории с коматозным паттерном активности мозга – это то, что в раннем возрасте и особенно у детей, родившихся раньше срока, наблюдается подобная картина. Точнее, первая из наблюдаемых – именно такая. Множество беспорядочных связей между нейронами скоординированно генерируют только самые простые ритмы – проявление «незрелого» паттерна активности мозга, – такие же, какие наблюдают исследователи у взрослого мозга во время комы, когда прекращаются активирующие влияния, приходящие из подкорковых областей и таламуса. Некоторые ученые считают, что подобные примитивные паттерны электрических разрядов можно описывать как в некотором роде «дефолтное» состояние нейронных сетей, и поэтому предлагают считать сон дефолтным состоянием мозга и организма вообще.

Сон в раннем детстве и нейродарвинизм

Профессор Института молекулярных биологических наук Университета штата Вашингтон Джеймс Крюгер внес большой вклад в развитие представлений о сне, предложив теорию возникновения сна на уровне нейронных групп. Исследования Крюгер проводил вместе со своим венгерским коллегой Ференцом Обалом (младшим) с 1987 года. Знаменитый американский иммунолог, лауреат Нобелевской премии Джеральд Эдельман оказал огромное влияние на Крюгера и Обала, воодушевив их на выбор направления поиска. А сам Эдельман, решительный сторонник Чарльза Дарвина, в 1977 году предложил новый подход к пониманию глобальной функции мозга, оформив его в теорию нейронного дарвинизма или нейродарвинизма – чуть позже в 1987 году вышел 400-страничный манускрипт ученого «Нейронный дарвинизм: теория отбора групп нейронов»[81]81
  Neural Darwinism: The Theory of Neuronal Group Selection, 1987.


[Закрыть]. Взгляд Эдельмана на функции мозга и нервной системы, в итоге распространенный и на принципы понимания возникновения сознания, научная публика объявила радикальным – в смысле затрагивающим основы основ множества дисциплин. Автор теории считал, что изначальный репертуар существующих связей между нейронами сначала избыточен и хаотичен, но рафинируется и реорганизуется сначала путем «отбора в процессе развития», а затем «отбора опытным путем». Название учение получило по аналогии с термином естественного отбора – движущей силой эволюции, которая способствует выживанию наиболее приспособленных индивидуумов и видов, что относится и к развитию мозга. Оно сопровождается сохранением только тех нейронов и их связей, которые «успели» встроиться в общую организацию мозговых структур таким образом, что стали играть определенную важную роль для конкретных мозговых функций. Стабильная активность таких сформировавшихся нейронных групп способствовала их выживанию и сохранению в процессе развития[82]82
  Теория Эдельмана остается во многом спекулятивной, ее экспериментальные подтверждения недостаточны. – Прим. науч. ред.


[Закрыть].

Мозг, как самая активная часть организма, требует постоянной доставки кислорода и питательных веществ, чтобы поддерживать свою деятельность и быть готовым получать и перерабатывать информацию. Поэтому главное в развитии мозга – сохранить как можно меньше связей и нейронов, но без утраты их общей функции. Именно это определяет в значительной степени развитие сна в раннем возрасте и характерные изменения сна в процессе жизни и старения.

Роль сна в развитии мозга – тема, привлекающая внимание многих ученых. Как известно всем, даже не академикам, после рождения детеныши большинства животных много спят, как и человеческие младенцы. Интересен факт, что количество сна во взрослом состоянии намного выше у тех видов животных, которые рождаются незрелыми. Сон после рождения выглядит скорее недифференцированным: он содержит черты как парадоксального сна (быстрого, с быстрыми движениями глаз – REM-фаза сна), так и ортодоксального (медленноволнового – NREM-фаза) сна, впрочем, не преобладающего в период раннего развития. Затем два типа сна становятся более ярко выраженными, хотя у детенышей наблюдается преобладание фазы быстрого сна. Марк Блумберг, в настоящее время заведующий кафедрой психологии и науки о мозге в Университете Айовы, посвятил много времени исследованиям роли парадоксальной (REM) фазы сна в развитии организма. Он обнаружил, что «ранний сон» – сон в раннем возрасте, – который изучают на лабораторных мышах, характеризуется спонтанными и беспорядочными сокращениями мышц, они сопровождаются появлением мозговых волн в тех областях коры мозга, которые отвечают за движение или получение и обработку сенсорной информации.

Роль этих спонтанных паттернов активности во время сна можно проиллюстрировать на простом эксперименте. Закройте глаза и коснитесь указательным пальцем кончика носа. Несложно, не правда ли?[83]83
  Но если все же сложно, то подумайте о визите к неврологу, хотя, если попытка удается с открытыми глазами, это уже неплохой результат.


[Закрыть] Даже с закрытыми глазами мы обычно имеем прекрасное представление о присутствии и положении в пространстве наших рук, ног и прочих частей тела – в случае их наличия, конечно. Это чувство оказалось возможным благодаря так называемому феномену проприоцепции – особой сигнальной системы, которая постоянно информирует мозг о состоянии периферии или движении и положении тела. Сознательный контроль над нашими позами возможен, но не всегда обязателен. Мозг, даже когда его обладатель занят более важными делами, усердно трудится над тем, чтобы организм не потерял равновесие, не оступился или не сделал неловкое движение, которое может привести к травме. А экономное использование энергетических ресурсов наравне, собственно, с выживанием – главное, о чем наш организм и мозг заботятся день и ночь. Откуда же возникает это подсознательное понятие о собственном теле? Предполагается, что сон в раннем возрасте благоприятствует развитию этого знания.

Но вернемся к экспериментам Марка Блумберга. Ученый обнаружил, что подергивания мышц на периферии, которые провоцируют «ответы» мозга, важны для установления схемы тела на уровне мозговых структур. Как это происходит? Представьте панель со множеством переключателей и связку лампочек, прикрепленную к ней произвольным и беспорядочным способом. Если известно, что каждой из лампочек соответствует определенный переключатель, то, чтобы установить схему работы этой системы, не остается ничего другого, как включить и выключить каждый тумблер и пометить, какой лампочке соответствует ее переключатель. Именно так и происходит установление анатомических и функциональных связей между мозгом и периферией, сон к этому процессу имеет непосредственное отношение.

Элегантные эксперименты с певчими птицами семейства вьюрковых ткачиков – зебровыми амадинами, – проведенные учеными из Чикагского университета Эмишем Дэйвом и Дэниел Марголиаш, подтверждают это предположение. Исследователи наблюдали за процессом, когда птенцы учились петь. Беспорядочные звуки, не организованные в характерную последовательность «слов», составленных из «слогов», превращались в музыкальный ряд только после родительских уроков пения, когда птенцы, прослушав песню, начинали ее имитировать – разучивать. Но это еще не все. Ученые заметили, что активность мозга птенцов во сне в точности совпадает с активностью мозга, когда они разучивали песню во время бодрствования – словно птицы повторяли свои выученные певчие уроки ночью, а если нарушать сон и прерывать репетиции во сне, то птенец не сможет научиться воспроизводить песню, и она останется неоформленной и незрелой.

Созревание сна

Но все же как сон связан с процессами развития у человека? Уже довольно давно известно, что фронтальные (лобные) области (доли) мозга у взрослых спят наиболее «глубоко», о чем можно судить по их особенно выраженной активности в медленных частотах. Этот феномен, который называется «лобной доминантностью сна», не обнаруживается у детей в раннем возрасте, а развивается постепенно в течение первых двадцати лет. Швейцарский ученый Рето Хубер занимался «картированием мозга» у детей, используя запись электроэнцефалограммы одновременно с помощью более чем ста электродов, практически покрывавших всю поверхность головы. Оказалось, что у детей дошкольного возраста сон характеризуется наибольшей его глубиной в затылочных областях мозга. Затем с каждым годом фокус активности постепенно перемещается вперед, пока не достигает лобных долей. Этот процесс удивительно напоминает постепенное созревание мозга, известное из анатомических исследований: сперва формируются относительно примитивные сенсорные области, в то время как лобные доли, ответственные за самые высокоорганизованные функции мозга, достигают зрелости последними. Таким образом, сон меняется с возрастом не только в отношении его количества и продолжительности, но и в «качестве», которое выражается в постепенном появлении его зрелой формы в зависимости от созревания определенных мозговых функций. Но если сон играет важную роль в развитии мозга в раннем возрасте, почему же мы должны отводить много времени для сна во взрослом состоянии и уж тем более в преклонные лета?

Старческая бессонница и бессмертие

Известно, что фаза быстрого сна в пожилом возрасте начинает уменьшается и сон, в общем, обычно становится короче и более поверхностным. Ученые продолжают спорить относительно изменения сна при старении. Некоторые из них считают, что необходимость во сне снижается с возрастом, когда происходит постепенное исчезновение глубоких фаз сна. Действительно, сейчас известно, что если пожилые люди получают возможность спать столько, сколько они пожелают, то они не могут поддерживать непрерывный сон дольше нескольких часов, как бывало в более юные годы.

Вы уже можете сказать, что, исходя из вышеизложенных представлений, это, пожалуй, неудивительно. Ведь если дарвиновский отбор нейронов и их связей происходит в течение всей жизни, то к ее концу остаются практически только самые необходимые и прошедшие проверку временем. Мозг избавляется от всего, что несущественно или необязательно, и поэтому мы становимся мудрее с возрастом. В то же время уменьшение сна в старости может свидетельствовать о постепенно уменьшающейся необходимости поддерживать существующие нейронные связи, которые достигли зрелости и более не нуждаются в укреплении или сохранении.

Если пожилые люди получают возможность спать столько, сколько они пожелают, то они не могут поддерживать непрерывный сон дольше нескольких часов.

Впрочем, другая точка зрения предлагает иное объяснение: необходимость сна не меняется с возрастом, но с годами нарушается способность входить в глубокий сон и поддерживать его. Некоторые ученые даже предполагают, что медленно прогрессирующие нейродегенеративные заболевания, такие как болезнь Альцгеймера, могут возникать именно из-за того, что сон нарушается с возрастом, и причинно-следственная связь между возрастными нарушениями сна и неврологическими нарушениями существует. Иными словами, к старости постепенно устанавливается порочный круг, когда недостаточно глубокий сон мешает нейронному гомеостазу восстанавливаться, что приводит к накоплению патологических изменений, гибели нейронов, к потере синаптических связей между ними.

А с другой стороны, происходит разрушение целостности нейронных сетей, особенно снижается функция тех мозговых отделов, которые важны для здорового сна и препятствуют последнему.

Сон в процессе взросления участвует в «естественном отборе» нейронных связей и развитии мозга, но одновременно сон же неумолимо способствует тому чтобы стареющий организм сошел с эволюционной дороги.

Итак, сон, так необходимый в раннем возрасте для формирования и созревания мозга, что, в свою очередь, влияет на наше развитие и приспособленность к независимому полноценному существованию, в конечном счете запускает те же самые механизмы в обратную сторону, что приводит к угасанию мозговых функций и в конце концов – к смерти. В этом и есть глубинный дарвиновский смысл и одновременно некоторая ирония. Сон в процессе взросления участвует в «естественном отборе» нейронных связей и развитии мозга, что необходимо для выживания и успеха нашего вида, но одновременно сон же неумолимо способствует тому, чтобы стареющий организм сошел с эволюционной дороги.

Помните наше отступление в начале главы об ошибках природы? Так можно ли назвать сон ошибкой природы? Каждый из нас расплачивается ценой собственной жизни за успех и выживание нашего вида. Сон, безусловно, играет в этом процессе некоторую и очевидно немаловажную роль. Стоит задуматься, не окажется ли более полное понимание сна и возможность им управлять важным шагом на пути к достижению бессмертия?