Текст книги "Ваш мозг. Что нейронаука знает о мозге и его причудах"

Изучение сна с помощью ЭЭГ

Уже вскоре после появления метода ЭЭГ те немногие ученые, которые не отнеслись к нему настороженно, начали использовать его для изучения активности мозга во время сна. Тогда большинство исследователей полагало, что во время сна мозг прекращает работу, поэтому изучение мозговой активности во время сна почти не имеет смысла. Тем не менее сведения, полученные благодаря ЭЭГ, очень их удивили.

Оказалось, мозг не прекращает работу даже во время сна. Он работает и ночью, причем по-разному – в зависимости от длительности и глубины сна. Основываясь на этих наблюдениях, ученые предположили, что сон включает в себя несколько фаз, во время каждой из которых мозг и организм ведут себя по-разному.

Сегодня считается, что сон состоит из 4 главных стадий. Когда мы бодрствуем, деятельность нашего мозга асинхронна. В это время нейроны головного мозга можно сравнить с кучей людей в кабинете, которые беседуют парами. Все говорят вразнобой, без определенного ритма. Так и нейроны головного мозга распространяют потенциалы действия (электрические импульсы) в разное время.

Мозговая активность в течение различных фаз сна (ЭЭГ)

Если взглянуть на ЭЭГ бодрствующего человека, она представит собой ряд расположенных близко друг к другу волн. В период бодрствования у них большая частота (то есть за секунду прибор успевает нарисовать много волн) и небольшая амплитуда (то есть расстояние между вершинами и впадинами волн маленькое).

Когда вы закроете глаза и станете засыпать, начнется первая фаза сна. Сердцебиение замедлится, мышцы расслабятся. Первая фаза обычно длится меньше 10 мин; это фаза самого неглубокого сна. Однако на этой стадии активность мозга уже начинает синхронизироваться. Частота мозговых волн на электроэнцефалограмме человека в первой фазе сна немного ниже, чем у бодрствующего.

Во второй фазе на ЭЭГ появляются необычные волны. Они похожи на волны первой фазы, но порой перемежаются так называемыми сонными веретенами. Кроме того, из общей картины выбиваются волны с острыми вершинами и впадинами. Их называют К-комплексами. До сих пор неясно, что означают эти волны и почему они появляются именно во второй фазе сна.

Вторая фаза – это еще одна фаза неглубокого сна. При наступлении третьей фазы все меняется. Третью фазу сна нередко называют фазой медленного сна, поскольку ЭЭГ на этой стадии представляет собой волны с большой амплитудой и невысокой частотой – «медленные» волны. Во время третьей фазы сна активность мозга сильно отличается от его асинхронной активности у бодрствующего человека. Снова обратимся к сравнению нейронов с людьми в кабинете: на этот раз они уже не будут беседовать каждый о своем, а начнут разговаривать хором, словно после многочисленных репетиций. В третьей фазе нейроны активируются не в разное время – потенциалы действия возникают у них в общем ритме. Третья фаза – это фаза глубокого сна. Считается, что именно она позволяет организму восстановить силы и утром проснуться бодрым.

Последняя фаза сна – стадия быстрых движений глаз (БДГ), или фаза быстрого сна. Во время этой фазы происходит нечто странное. Если вы посмотрите на человека в четвертой фазе сна со стороны, то можете решить, будто он находится в фазе глубокого сна; спящий же тем временем будет быстро вращать глазами под сомкнутыми веками. Мышцы в этой фазе полностью расслаблены: если кто-то поднимет вашу руку и отпустит ее, то она безжизненно рухнет обратно на кровать. А чего не увидеть даже со стороны – так это того, что мозговая активность спящего напоминает период бодрствования.

Быстрый сон еще называют «парадоксальным», поскольку мозговая активность спящего не совпадает с поведением его организма. Во время этой фазы сна мы, как правило, видим самые яркие сны. Уже доказано, что движения глаз во время фазы быстрого сна соответствуют движению нашего взгляда внутри сна⁶.

Ночные приключения

Учитывая, что мы часто видим сны во время фазы быстрого сна, а наши глаза движутся вслед за нашими попытками разглядеть сон, можно предположить, почему наши мышцы в это время расслаблены. Без этого не только наши глаза, но и части тела повторяли бы в действительности все, что мы делаем во сне. Причем движения эти были бы неосознанными.

Такое и происходит с людьми, которые страдают нарушениями фазы быстрого сна. Их мышцы не обездвижены во время БДГ-фазы. Они постоянно в тонусе, из-за чего спящий может как неосознанно дергать руками и ногами, так и полностью повторять движения из сна. (Следует отличать это расстройство от лунатизма, который обычно не связан с БДГ-фазой. Страдающий лунатизмом человек обычно ведет себя относительно мирно – садится на постели или медленно ходит по дому.) Естественно, такое воплощение сна в действительность может быть опасным для самого спящего или тех, кто спит рядом. Человек с нарушениями фазы быстрого сна может посреди ночи наброситься на мебель, начать избивать стену или вовсе попытаться задушить соседа по постели. Во всех этих случаях тело человека будет двигаться в соответствии со сном (если ему, например, снится драка).

Неприятны и те случаи, когда тело во время фазы быстрого сна немеет слишком сильно. Со многими людьми случалось такое – обычно при пробуждении, хотя порой это происходит и во время засыпания. Они открывали глаза, но не могли пошевелить и пальцем. Человек способен пролежать в постели несколько секунд (а то и минут), не в силах сдвинуться с места, охваченный чувством страха. Некоторые даже описывают полноценные галлюцинации – они видели и чувствовали, что в комнате находится кто-то посторонний, или смотрели на собственное тело со стороны.

Это состояние называется сонным параличом. Оно не изучено до конца, однако считается, что его вызывают те участки мозга, которые выходят из фазы быстрого сна быстрее остальных. Если сонный паралич настигает человека при пробуждении, то он не может пошевелиться, а в его сознание тем временем закрадывается частица сновидения. Невзирая на весь ужас, что способны вызывать такие галлюцинации, сонный паралич проходит довольно быстро и обычно не является признаком серьезного заболевания или расстройства. У большинства людей он происходит лишь от случая к случаю.

Какие участки мозга отвечают за сон

Появление ЭЭГ позволило исследователям понять, что сон нужен мозгу не только для отдыха. Чтобы определить, какие участки мозга вызывают колебания, которые мы видим на ЭЭГ во время различных фаз сна, понадобилось много дополнительных усилий.

В 1930-е гг. нейробиолог Фредерик Бремер провел несколько опытов на кошках, благодаря которым были сделаны большие шаги к ответу на волнующий ученых вопрос.

Во время своих опытов Бремер надрезал различные участки мозгового ствола кошек. Мозговой ствол похож на корешок, соединяющий головной мозг со спинным. Надрезав его, Бремер мог разделить мозг кошки на два полушария (и даже вынуть его из черепной коробки).

Естественно, если участок мозгового ствола, который необходимо было надрезать, располагался слишком глубоко, кошку приходилось спасать от гибели искусственной вентиляцией легких. Также после такой операции ни одна кошка уже не могла полноценно функционировать. Несмотря на трудности, Бремеру удалось получить живые мозги с поврежденными участками мозгового ствола и с помощью ЭЭГ проследить, продолжает ли мозг проходить фазы сна в обычном режиме после той или иной операции.

Бремер обнаружил следующее: если надрезать мозговой ствол в зоне, называемой средним мозгом, то организм навсегда впадает в фазу медленного сна. Если надрезать мозговой ствол прямо над спинным мозгом – на уровне продолговатого мозга (или луковицы головного мозга), – то организм будет бодрствовать и проходить через все четыре фазы сна как обычно.

Эти наблюдения позволили предположить, что область, находящаяся над средним мозгом, отвечает за фазу медленного сна, в то время как участок между спинным и средним мозгом – за режим бодрствования и фазу быстрого сна.

Если быть точнее

Области головного мозга, расположенные над средним мозгом, порой называют передним мозгом. Дело в том, что входящие в него структуры образуются в передней части мозга человека еще на этапе эмбрионального развития. К переднему мозгу относится вся мозговая ткань, формирующая полушария мозга, а также гипоталамус и таламус. Мы познакомимся с таламусом поближе в Главе 7, а пока лишь уясним, что он располагается в центральной части мозга, поэтому все сведения, которые поступают из мозгового ствола в кору мозга, проходят через него.

После того как опыты Бремера показали, что передний мозг важен для фазы медленного сна, другие ученые попытались воспроизвести результаты его исследования. Они обнаружили, что могут ввергнуть животное в фазу медленного сна через электрическую стимуляцию некоторых участков переднего мозга⁷, а повредив другие участки, вызвать нарушения этой фазы⁸. Под электрической стимуляцией здесь подразумевается пропуск слабого электрического тока по определенным участкам мозга. Поскольку нейроны имеют электрические свойства, стимуляция током активирует их. Благодаря этому нейробиологи могут понять, что происходит, когда нейроны в том или ином участке мозга начинают свою работу. Сама по себе электрическая стимуляция нейронов не причиняет боли (как мы узнаем позже, манипуляции над мозговой тканью в принципе безболезненны). Эта техника широко используется в науке, и мы часто будем упоминать ее в этой книге.

Исследователи пришли к выводу, что некоторые группы нейронов переднего мозга вырабатывают такие нейромедиаторы, как гамма-аминомасляная кислота (ГАМК) и галанин. ГАМК и галанин известны как тормозные нейромедиаторы – они немедленно затормаживают активность нейронов. Возникла гипотеза, что области переднего мозга вырабатывают тормозные нейромедиаторы, из-за чего активность участков мозга, отвечающих за бодрствование, снижается и мозг переходит в фазу медленного сна.

Область гипоталамуса, известная как вентролатеральное преоптическое ядро, особенно важна в процессе затормаживания. Нейроны с ГАМК и галанином из вентролатерального преоптического ядра направляются к другим «бодрствующим» нейронам и подавляют их активность. Таким образом, без вентролатерального преоптического ядра человек не мог бы засыпать.

Получается, нейроны переднего мозга, в особенности гипоталамуса, помогают успокоить мозг. Но как мозговому стволу удается разбудить нас? В 1940-е гг. ученые обнаружили, что электрическая стимуляция определенного участка мозгового ствола способна немедленно разбудить человека⁹. Нейронные цепи из этой области мозгового ствола, которую впоследствии назвали ретикулярной активирующей системой, тянутся к таламусу, а затем – к коре головного мозга. После этого они активируют кору мозга, а та – сам мозг.

Теперь мы знаем, какая область переднего мозга способствует нормальному течению сна и какой участок мозгового ствола помогает нам проснуться. Прежде чем мы окончательно поймем суть сна, необходимо ответить еще на пару вопросов. Пусть вышеупомянутая система переднего мозга и способна ввести человека в фазу медленного сна, она не отвечает за фазу быстрого сна. Согласно исследованиям, за эту фазу ответственна область мозгового ствола, называемая мостом. Мост выступает из мозгового ствола, поэтому его легко узнать. Если повредить мост, у человека нарушится фаза быстрого сна¹⁰, а если стимулировать его с помощью электрического тока, человек впадет в упомянутую фазу¹¹. Нейроны в этой зоне также отвечают за торможение двигательных нейронов, что и приводит к потере мышечного тонуса во время БДГ-фазы.

Кроме трех областей, ответственных за три основных состояния человека в течение дня, наверняка существует и своего рода «центр управления», который позволяет мозгу естественным образом переходить из одного состояния в другое. Исследователи обнаружили этот предполагаемый «центр» благодаря изучению нарколепсии – расстройства, при котором человек постоянно засыпает.

Нарколепсия и «центр управления сном»

Большинству людей с нарушениями сна бывает трудно заснуть или не просыпаться в течение ночи. Несмотря на все последствия, вызываемые бессонницей, нарколепсия может быть намного опаснее.

Пациенты с нарколепсией могут задремать или заснуть в любое время суток – даже после полноценной ночи сна. Они способны отключиться в самое неподходящее для этого время: посреди беседы, во время обеда или даже за рулем. Обычно люди с нарколепсией засыпают ненадолго (не более получаса) и после этого ощущают себя бодрее прежнего – совсем как здоровые люди после дневного сна. Но буквально через пару часов на них вновь может напасть такая же непреодолимая сонливость.

Многие пациенты с нарколепсией внезапно теряют власть над своим телом посреди дня. Из-за этого они падают прямо на пол и несколько секунд или даже минут не могут пошевелиться. Потеря мышечных функций, известная как катаплексия, напоминает фазу быстрого сна и может быть результатом сильного эмоционального отклика – смеха, злобы или испуга.

Исследователи смогли выявить причины нарколепсии благодаря изучению собак. Хотя собаки тоже подвержены этому расстройству, излишняя сонливость у них не так заметна и не так сильно мешает жизнедеятельности (заснуть, пока тебе говорят, какой ты хороший песик, – не то же самое, что отключиться на важной встрече). Поэтому самый опасный из симптомов собачьей нарколепсии – это катаплексия, которая часто возникает в минуты, когда собака испытывает радость, например во время кормежки.

При нарколепсии – состоянии, когда человек часто неконтролируемо засыпает – встречается и катаплексия. Тогда пациент может на пару минут полностью потерять контроль над своим телом и рухнуть прямо на месте.

В конце 1990-х гг. исследователи раскрыли причины собачьей нарколепсии: оказалось, все дело в мутации гена, который отвечает за выработку рецепторов для вещества, называемого орексином¹². Орексин – это нейропептид, то есть маленький белок, который может выполнять функции нейромедиатора. Орексинные нейроны в основном расположены в гипоталамусе, а мутация у собак с нарколепсией приводит к тому, что рецепторы в таких нейронах не отзываются на орексин.

Человеческая нарколепсия, судя по всему, также связана с орексином. До сих пор неизвестно, почему в гипоталамусе большинства пациентов с нарколепсией (до 95 %) отсутствуют орексинные нейроны¹³.

Ученые предположили, что орексин участвует в засыпании и пробуждении здоровых людей. Орексинные нейроны распространяют сигналы по всему мозгу, в том числе и в те зоны, которые отвечают за пробуждение. Активируя эти зоны, орексин также «переводит» мозг в режим бодрствования. Если активность орексина снижается, то мозг засыпает.

Когда работа орексинных нейронов нарушена, мы бесконтрольно переключаемся от сна к бодрствованию и обратно. А еще испытываем трудности при переходе в фазу быстрого сна и выходе из нее. Считается, что такие нетипичные переключения и приводят к внезапной сонливости и потере мышечного тонуса, которыми характеризуются нарколепсия и катаплексия соответственно. Таким образом, орексинные нейроны играют важную роль в переходе от сна к бодрствованию и обратно.

«Переключатель» в мозге

Когда мы знаем, какие участки мозга отвечают за сон, необходимо ответить на следующий вопрос: как мозг понимает, что человеку пора спать? Существует распространенная гипотеза, что зоны мозга, отвечающие за пробуждение и сон, ведут себя словно вечные соперники. Одни неизменно стремятся подавить других. Кто победил, к такому состоянию (сну или бодрствованию) и стремится организм. Получается своего рода «переключатель» с двумя режимами: «сон» и «бодрствование».

Но все мы знаем, что нельзя просто взять и заснуть за одно мгновение (по крайней мере, большинству из нас такое не удается). Наоборот, сон приходит не сразу: чем ближе ночь, тем сильнее хочется спать.

Выходит, «переключение» происходит постепенно. В его основе лежит механизм, который с течением дня активирует все больше и больше нейронов, ответственных за сон. В конце концов их становится больше, чем нейронов, ответственных за бодрствование. Этому перевесу могут способствовать самые разные факторы.

Ваши веки тяжелеют…

Сонливость может быть вызвана разными причинами. Представьте, что вы ведете машину поздно ночью. Ваши веки постепенно тяжелеют, тело становится вялым, разум затуманивается, внимание рассеивается. Чем дольше вы едете, тем сильнее ваша сонливость.

А теперь вспомните, как усиливается ваша усталость с приближением часа, когда вы обычно ложитесь спать. Возможно, обычно она не так заметна и настигает вас в одно и то же время, словно по расписанию.

Оба мнения – что сон уравновешивает время бодрствования и что организм старается следовать одному и тому же расписанию каждый день – верны. Хотя исследователи не могут назвать точное число механизмов, вызывающих усталость, среди известных выделяются два наиболее важных. Первый – накопление усыпляющего вещества в течение дня, а второй – суточный ритм организма, от которого зависят не только время сна, но и другие привычки человека.

СОН И ЭЛЕКТРОНИКА

Сегодня нас окружают смартфоны, планшеты и ноутбуки, из-за чего мы каждый вечер проводим перед экраном. Судя по недавним исследованиям, это плохо сказывается на качестве сна. Экраны электронных устройств выпускают короткие волны синего света, которые нарушают сон¹⁴. Возможно, причина в том, что эти волны снижают уровень мелатонина – гормона, который отвечает за суточные (или циркадные) ритмы нашего организма. Если вам перед сном необходимо воспользоваться электронным устройством, выберите то, на котором есть ночной режим или темная тема. Также можно понизить яркость экрана до минимально возможного уровня и держать гаджет по меньшей мере в 30 см от лица. Перечисленные меры предосторожности помогут вам избежать большей части вреда, что способен нанести синий свет.

Аденозин и сон

После того как клетки используют аденозинтрифосфат (АТФ) для выработки энергии, в них остается аденозин, изначально входивший в состав АТФ. Клетки постепенно вновь превращают аденозин в АТФ. Но аденозин все равно накапливается в мозге в течение дня.

Судя по всему, именно аденозин и вызывает у человека сонливость. Он может выполнять функции нейромедиатора, активируя ответственные за засыпание рецепторы в вентролатеральном преоптическом ядре. Еще аденозин способен затормаживать нейроны из ретикулярной активирующей системы.

Получается, чем больше АТФ перерабатывается в энергию, тем больше накапливается его побочного продукта – аденозина, количество которого и указывает, сколько энергии уже потрачено организмом. Если уровень аденозина высок, то в организме недостаточно энергии. Как следствие, человеку нужно отдохнуть и восстановиться.

Влиянием аденозина на мозг можно объяснить и действие нашего любимого психостимулятора – кофеина. Главная задача кофеина – блокировать аденозиновые рецепторы, чтобы они перестали влиять на мозг. А раз аденозин в основном вызывает сонливость, торможение аденозиновых нейронов вполне естественно бодрит человека.

Итак, длительное бодрствование приводит к усилению сонливости потому, что в мозге накапливается аденозин. Однако время сна зависит не только от того, как долго мы бодрствуем. Свою роль также играет суточный ритм, определяющий порядок работы мозга.

24/7

Почти все живые организмы на нашей планете в той или иной мере зависят от вращения Земли вокруг своей оси и, как следствие, длительности дня. Неудивительно, что наш организм в процессе эволюции приспособился к 24-часовому циклу. Выходит, человеческий организм живет согласно ритму, определяющему его деятельность в течение дня, а именно циркадному ритму. От циркадного ритма зависит не только время сна и бодрствования, но и режим питания и даже выработка определенных гормонов.

Чтобы тело могло функционировать в течение 24 ч, организму необходимо каким-то образом определять, какое сейчас время суток. В начале 70-х гг. прошлого века исследователи обнаружили, что эта задача возложена на небольшие ядра в гипоталамусе, называемые супрахиазматическими ядрами. При повреждении этих ядер животные теряют способность поддерживать нормальный циркадный ритм¹⁵. Вместо того чтобы следовать привычному расписанию по ночам (взять крыс – ночных животных), они действуют в неопределенном порядке, просыпаясь и засыпая в случайное время суток.

Этим открытием впоследствии удалось объяснить нарушение расписания у других животных, а также людей. Итак, клетки в супрахиазматических ядрах способны отслеживать время. В этом им помогает сложный цикл генной транскрипции и выработки белков, который как раз занимает примерно 24 ч. Клетки супрахиазматических ядер реагируют на сведения, принятые сетчаткой глаза, а также на другие сигналы – например, присутствие в организме мелатонина (секреция которого в основном происходит под воздействием темноты). Это нужно, чтобы «подводить» внутренние часы организма в тех случаях, когда уровень света вокруг им не соответствует. К примеру, когда вы путешествуете и пересекаете несколько часовых зон, из-за чего внутренние часы сбиваются и происходит расстройство суточного ритма.

Клетки супрахиазматических ядер связаны и с другими зонами гипоталамуса (группами орексинных нейронов), которые отвечают за засыпание и пробуждение организма. Иными словами, супрахиазматические ядра играют решающую роль в управлении сном. Они делают все возможное, чтобы мы придерживались суточного ритма, а наш сон составлял около 8 ч.

Естественно, многим из нас приходится лишь мечтать о 8-часовом сне. И в некоторых случаях это нормально. Это среднее количество, необходимое для восстановления организма, и может разниться: кому-то нужно спать больше, кому-то – меньше. Печалит лишь то, что большинству из нас редко удается выспаться достаточно, чтобы оставаться работоспособным в течение всего дня. Бессонница – самое распространенное из нарушений сна. Хотя список ее возможных причин крайне велик, одно знакомое всем вещество активно стремится к его вершине. А именно – кофеин.