Текст книги "Загадки сна"

Предположения И. Н. Пигарева получили подтверждение в опытах на животных. Так, было показано, что изменение частоты импульсации нейронов зрительной коры у кошки совпадает с ритмикой электрической активности определенной области ее кишечника (т. е. перистальтика кишечника животного отражается на его ЭЭГ).

С клинической точки зрения важность достаточного количества сна для деятельности внутренних органов подтверждается в наблюдениях за людьми, работающими по сменному графику. Показано, что при такой работе у них в 1,4 раза увеличивается частота эрозивного эзофагита, при котором в пищеводе образуются мелкие эрозии, почти язвы. У пожилых людей с нарушенным сном ускоряется развитие саркопении – возрастзависимого снижения мышечной массы. По-видимому, во время сна происходят и процессы восстановления мышечной массы, не зря же в это время вырабатывается наибольшее количество гормона роста. Это свойство сна используется в спорте высоких достижений. Так, в исследовании, проведенном спортивными врачами в Стэнфордском университете в 2011 г., молодым баскетболистам в течение семи недель увеличили время, отведенное на сон, на два часа{39}39
  Mah C.D., Mah K.E., Kezirian E.J., Dement W.C. The effects of sleep extension on the athletic performance of collegiate basketball players. Sleep. 2011 July 1; 34 (7): 943–50.


[Закрыть]. По сравнению со спавшими «как обычно», у этих спортсменов время бега на 100 метров сократилось на 0,7 секунды, а точность бросков увеличилась на 9 %. Ученые объяснили эти результаты как улучшением мышечного восстановления, так и тем, что сон играет роль в процессе заучивания оптимальных двигательных навыков – удачные модели движения запоминаются лучше. В настоящее время возможности улучшения сна спортсменов активно обсуждаются, так как этот путь – один из немногих недопинговых способов улучшения спортивных показателей.

Более простым объяснением назначения сна для организма, в том числе включающим объяснение гибели подопытных животных при депривации, является то, что сон позволяет сберегать энергию, не расходовать ее по пустякам. Действительно, во время сна отмечаются самые низкие показатели температуры тела (в 4–5 часов утра), сердечной деятельности и дыхания, а в итоге и всего основного обмена. Основной обмен – это минимальное количество энергии, необходимое для обеспечения нормальной жизнедеятельности организма в стандартных условиях. За сутки на основной обмен мужчина при весе 70 кг расходует 1700 ккал, а женщина – на 10 % меньше (вот он – секрет похудения! Просто нужно есть чуть меньше пищи, чем это необходимо для обеспечения основного обмена). Согласно данной теории для экономии энергии внешние чувства во время сна отключаются, оставляя работающим только канал «экстренной связи» (по аналогии со «спящим режимом» ноутбука). У различных видов животных потребление энергии во сне уменьшается от 7 до 69 %. У человека разница между энергопотреблением в течение 8 часов сна и 8 часов депривации сна составляет 32 %{40}40
  Jung C.M., Melanson E.L., Frydendall E.J., Perreault L., Eckel R.H., Wright K.P. Energy expenditure during sleep, sleep deprivation and sleep following sleep deprivation in adult humans. J Physiol. 2011 Jan 1; 589 (Pt 1): 235–44.


[Закрыть]. Роль сна в снижении энергопотребления была продемонстрирована также в опытах на животных, впадающих в сезонную спячку. Спячка является особым состоянием с исключительным замедлением основного обмена – это не сон. Было показано, что спячка начинается обязательно с периода медленноволнового сна, т. е. сон является переходным состоянием при уменьшении потребления энергии. Теория назначения сна для экономии энергии не исключает висцеральную теорию, а дополняет ее, поскольку предполагается, что оптимизация работы внутренних органов во время медленноволнового сна требует значительно меньших затрат энергии, чем в бодрствовании.

Головной мозг также можно рассматривать как один из внутренних органов. Как и все органы, он нуждается в удалении веществ, образующихся в процессе метаболизма («шлаков», как принято говорить в околомедицинской сфере). Еще одним свидетельством восстановительной функции сна стало обнаружение в 2013 г. феномена ускорения очищения мозга от балластных белков именно во сне. Эти белки вырабатываются в процессе жизнедеятельности нейронов и, как считается, не несут полезной функции. К ним относятся альфа-синуклеины, бета-амилоиды и тау-протеины. Накопление этих белков в большом количестве внутри клетки приводит к тому, что они слипаются в нерастворимые агломераты – нейрофибриллярные клубки, которые препятствуют нормальной клеточной деятельности. Накопление бета-амилоида в мозге называют главной причиной развития болезни Альцгеймера – самой распространенной причины старческого слабоумия. В исследовании на мышах с использованием оптогенетических моделей (при этом возможно наблюдать за свечением нужных белков в мозге живого животного), проведенном группой ученых из США под руководством Майкен Нидергаард в 2013 г., было показано, что во время сна размеры пространств между клетками головного мозга у мышей увеличиваются на 60 %. Это сопровождается лучшим удалением балластных белков из клетки и их выходом через околовенозные пространства в цереброспинальную жидкость, омывающую мозг{41}41
  Xie L., Kang H., Xu Q., et al. Sleep drives metabolite clearance from the adult brain. Science. 2013 Oct 18; 342 (6156): 373–7.


[Закрыть]. Исследование «наделало шуму» в медицинской среде, поскольку впервые было доказано, что недостаточный сон препятствует эффективному удалению вредных белков, что способствует развитию болезни Альцгеймера. Следовательно, на улучшение сна пожилых людей следует обратить особое внимание. Действительно, в дальнейшем было показано, что нарушение цикла сна-бодрствования, наблюдающееся у людей с возрастом и приводящее к увеличению концентрации бета-амилоида, коррелирует с ухудшением памяти и внимания.

К проявлению восстановительной функции сна можно отнести и улучшение деятельности иммунной системы, связанное со сном. На своем «бытовом» опыте мы знаем, что при инфекционном заболевании количество сна у человека обычно увеличивается. Это связывают со специфическим влиянием на гипоталамический центр сна продуктов клеточной стенки бактерий (мурамилпептидов) – когда они гибнут в большом количестве, то в кровотоке присутствует немалое количество обломков их стенок. Также сонливость при воспалении вызывают компоненты иммунного ответа самого организма – цитокины. Цитокины представляют собой небольшие белки (полипептиды), которые переносят информацию в кровотоке от одних иммунных клеток другим, оповещая эти клетки о вторжении «чужих» и регулируя их реакцию. Один из этих цитокинов, интерлейкин-1, кроме своего основного иммунного действия еще и увеличивает продолжительность сна, воздействуя на центры в головном мозге. Так организм при развитии инфекционного заболевания сам увеличивает время сна, что каким-то образом улучшает его защиту от инфекционного агента.

Действительно, было показано, что сон после вакцинации против гепатита в два раза увеличивает количество иммунокомпетентных клеток (Т-хелперов) и антител класса G1 по сравнению с бодрствованием{42}42
  Lange T., Dimitrov S., Bollinger T., Diekelmann S., Born J. Sleep after vaccination boosts immunological memory. J Immunol. 2011 Jul 1; 187 (1): 283–90.


[Закрыть]. Увеличение времени сна способствовало выживанию подопытных кроликов после искусственного прививания им инфекции – это было показано еще в 1993 г. В исследовании здоровых добровольцев, которые согласились на заражение вирусом острого респираторного заболевания, наиболее часто заболевали те, чья продолжительность сна составила менее 7 часов в сутки. Влияние сокращения сна на иммунную функцию отчетливо обнаруживается у людей, работающих по сменному графику и имеющих в связи с этим постоянное ограничение времени сна (о том, почему же нельзя выспаться после ночной смены, мы поговорим в следующей главе){43}43
  Mohren D.C., Jansen N.W., Kant I.J., Galama J., van den Brandt P.A., Swaen G.M. Prevalence of common infections among employees in different work schedules. J Occup Environ Med. 2002 Nov; 44 (11): 1003–11.


[Закрыть]. У них повышается риск развития опухолевых заболеваний, например рака молочной железы или лейкемии. Так что в стремлении уменьшить время сна с целью больше заработать нет ничего полезного для организма.

Наиболее распространенные теории назначения сна рассматривают его, прежде всего, как способ восстановления функций центральной нервной системы (ЦНС), точнее, главной ее части – головного мозга. Сон способствует восстановлению так называемых когнитивных функций, т. е. функций, обеспечивающих познание окружающего мира, – это является очевидным даже на бытовом уровне. Вечером мы чувствуем себя уставшими, нам трудно выполнять работу, требующую внимания. Но стоит поспать, даже немного, как наши возможности возрастают. Такой освежающий эффект доказан не только для ночного, но и для дневного сна – это так называемый «эффективный короткий сон» – power nap по-английски. Термин был введен психологом Джеймсом Маасом в 1998 г. Он обозначает короткий период сна, позволяющий добиться улучшения когнитивных показателей. Однако даже при таком сне следует соблюдать меру, не следует уходить слишком далеко, в глубокий сон, иначе когнитивные показатели вновь ухудшатся. В исследовании, проводившимся в 2006 г. в Австралии, было показано, что наибольшим эффектом сопровождались 10-минутные засыпания. Положительный эффект проявлялся сразу после пробуждения и длился до 155 минут. При сне, длившемся 5 или же 20–30 минут, улучшения либо не отмечалось, либо его эффект развивался медленнее и длился меньше, чем для 10-минутного сна{44}44
  Brooks A.L., Lack L. A brief afternoon nap following nocturnal sleep restriction: which nap duration is most recuperative? Sleep. 2006 Jun; 29 (6): 831–40.


[Закрыть]. В наибольшей степени дневной сон оказывается полезен для заучивания какой-либо последовательности действий – за это отвечает так называемая «процедурная» память. Так что учиться играть на гитаре или кататься на коньках лучше всего, прерывая обучение кратковременным дневным сном.

Восстановительная теория сна, которая объясняет, что сон нужен для тонкой настройки внутренних органов и вообще для восстановления физических сил, может с успехом применяться и для объяснения того, почему психическая активность после сна оказывается более успешной. Так, учеными было показано, что интенсивность энергетического обмена в мозге во время сна уменьшается так же, как и во всех остальных внутренних органах. Методом позитронной эмиссионной томографии (ПЭТ), который позволяет оценивать интенсивность обмена веществ в конкретном органе, было показано, что поглощение глюкозы – главного источника энергии, в спящем мозге по сравнению с периодом бодрствования уменьшается в два раза. Интересно, что это уменьшение относится только к периоду медленноволнового сна (для людей чаще используют более короткий термин «медленный сон»), в то время как в фазе парадоксального сна (для людей для обозначения этой фазы сна используют термин «сон с быстрыми движениями глаз» или, короче, «быстрый сон») происходит по-другому. У людей в быстром сне обмен веществ в мозге, наоборот, ускоряется, превышая таковой в состоянии спокойного бодрствования. Этот факт не вызывает заметного изменения показателей энергетического обмена в течение всей ночи, поскольку быстрый сон у людей занимает только 20–25 % общего времени сна, а у некоторых животных – и того меньше. Так, за счет снижения метаболизма в период медленного сна и за весь период сна в целом уровень основного обмена в итоге оказывается более низким, чем в бодрствовании, и энергия организмом экономится.

Показано, что уменьшение потребления глюкозы мозгом во сне не связано со снижением ее поступления. Если сравнивать период сна с периодом бодрствования без приема пищи, то во сне концентрация глюкозы в крови остается такой же, она поддерживается механизмом секреции инсулина поджелудочной железой, расщепляющим лишнюю глюкозу. В то же время в самих клетках мозга во время сна глюкозы становится больше, поскольку в других местах организма она расходуется значительно слабее. Состояние медленного сна сопровождается очень экономной работой нервных клеток, что можно видеть на электроэнцефалограмме в виде так называемых медленных волн. Высокоамплитудная электрическая активность в виде медленных волн частотой 0,5–4 Гц возникает, когда большие группы находящихся рядом нейронов синхронно активируются, а затем «замолкают». В бодрствовании основной ритм ЭЭГ иной – каждый нейронный ансамбль работает в своем режиме, поэтому электрические сигналы от этих групп нейронов не суммируются и не достигают большой амплитуды. Такая разнородная активность обеспечивает более высокую базовую частоту альфа-активности бодрствования 8–13 Гц.

Таким образом, энергия во время сна экономится за счет того, что энергетические потребности мозга во время сна снижаются. Кроме этого, было показано, что во сне происходит еще и запасание новой энергии. Основным видом активности нервных клеток является генерация электрического импульса, которая становится возможной за счет работы ионных каналов, избирательно пропускающих ионы калия (K+) и натрия (Na–) внутрь клетки. Источником энергии для обеспечения работы этих каналов является аденозинтрифосфорная кислота (АТФ), которая представляет собой молекулу аденозина, к которой присоединены три остатка фосфорной кислоты. При отсоединении каждого из этих остатков в процессе химической реакции выделяется большое количество энергии. В организме АТФ является одним из самых часто обновляемых веществ. У человека продолжительность жизни одной ее молекулы составляет менее 1 минуты.

Если освежающий эффект сна определяется тем, что за его время происходит запасание молекул АТФ (зарядка клеточного «аккумулятора»), то в мозге животных во время сна количество АТФ будет высоким, а во время бодрствования – более низким. Исследования, проведенные сотрудниками Гарвардского университета в Бостоне, США, в 2010 г. подтвердили это предположение{45}45
  Dworak M., McCarley R. W., Kim T., Kalinchuk A.V., Basheer R. Sleep and brain energy levels: ATP changes during sleep. J Neurosci. 2010 Jun 30; 30 (26): 9007–16.


[Закрыть]. В лобных отделах мозга крыс было обнаружено увеличение содержания АТФ во время сна. Таким образом, восстановительная функция сна применительно к ЦНС заключается не только в экономии энергии, но и в запасании ее для активной работы в бодрствовании.

Восстановительная функция сна на системном уровне проявляется в предотвращении ухудшения когнитивных функций в течение времени. Чем дольше человек остается бодрствующим, тем в большей степени у него ухудшаются такие когнитивные показатели, как внимание, память, планирование и др. В настоящее время этот феномен начинают объяснять с точки зрения теории «локального сна» – если сам тест или же период бодрствования продолжаются очень долго, то задействованные в его выполнении области мозга периодически начинают «задремывать» и показатели выполнения ухудшаются, что в итоге и приводит к ухудшению когнитивных функций. Даже короткие периоды сна сопровождаются улучшением показателей тестов, поскольку после него вероятность локального засыпания отдельных областей мозга уменьшается. Иными словами, в отношении некоторых когнитивных функций восстанавливающий эффект сна объясняется не накоплением энергии в нервных клетках, а уменьшением вероятности их засыпания во время теста.

Отдельной функцией, которую сон призван выполнять для успешного функционирования нервной системы, является обеспечение процессов нейропластичности. В данном случае состояние сна рассматривается не как энергосберегающий, восстановительный, а, наоборот, как энергозатратный процесс, который, однако, способствует оптимизации нейрональных связей и экономии энергии в дальнейшем. Нейропластичность – популярное слово в современной науке. Она определяется как свойство человеческого мозга, заключающееся в возможности изменяться под действием опыта, а также восстанавливать утраченные связи после повреждения или в качестве ответа на внешние воздействия. Кроме появления новых нервных клеток к этому феномену относят возникновение или разрушение синаптических связей и функциональную перестройку отдельных областей мозга.

«Нервные клетки не восстанавливаются», – говорим мы друг другу, имея в виду, что не стоит слишком волноваться, так как последствия для нервной системы будут непоправимыми. «Восстановление нервов», точнее появление новых нервных клеток в зрелом возрасте, является одним из доказанных проявлений феномена нейропластичности. Вопреки распространенному мнению некоторые нервные клетки возникают вновь из недифференцированной клетки-предшественницы взрослого животного. Это доказано для клеток обонятельного тракта млекопитающих, вплоть до приматов (обонятельные нервы как бы постоянно растут из мозга), и для клеток гиппокампа – главного «процессора» памяти{46}46
  Гомазков О.А. Сигнальные молекулы как регуляторы нейрогенеза взрослого мозга // Нейрохимия. 2013; 30 (4): 273–288.


[Закрыть]. Изучать роль сна в обеспечении этой формы нейропластичности, судя по всему, еще рано – убедительных методов оценки того, как изменяется стволовая клетка в течение короткого времени, не существует. В то же время для изучения роли сна в процессах синаптогенеза (организации связей) методологический аппарат хорошо разработан, поскольку этот вид нейропластичности является основой для запоминания и обучения.

Состояние сна рассматривается как необходимое условие успешной консолидации памяти – перехода информации из кратковременной (оперативной) в долговременную память (по аналогии со складированием информации на жесткий диск компьютера). Для того чтобы событие запомнилось, в мозге формируется след памяти, или энграмма – путь электрического импульса по тысячам последовательно соединенных нейронов. Эти следы и подлежат «укреплению» в процессе сна. Состояние сна благоприятствует процессам запоминания, поскольку в это время внешние впечатления исключаются и нейронам не нужно «отвлекаться» – отсутствует «интерференция», которая сильно мешает запоминанию в бодрствовании. Соединения нейронов в следах памяти осуществляется посредством синапсов контактов между клетками, в которых электрический сигнал передается посредством химических веществ. Процесс синаптогенеза регулируется сигнальными молекулами, в число которых, например, входит и универсальный тормозной медиатор – гамма-аминомасляная кислота (ГАМК).

Состояние сна способствует образованию новых синапсов или, наоборот, затрудняет этот процесс в зависимости от предшествующей сну активности. В опытах с закрыванием одного глаза мыши было показано, что в части зрительного тракта и первичной зрительной коры, которые были соединены с закрытым глазом, во время сна наблюдалось уменьшение числа синапсов, в то время как в противоположном (относящемся к активному глазу) полушарии число синапсов во время сна увеличивалось. Кроме увеличения числа синапсов во время сна после тренировки у животного увеличивается и число дендритных шипиков нейронов – отростков, которые тянутся к другим нейронам, чтобы образовать с ними синапс, «синаптических заготовок». При ограничении времени сна число этих шипиков уменьшается{47}47
  Yang G., Lai C.S., Cichon J., at el. Sleep promotes branch-specific formation of dendritic spines after learning.Science. 2014 Jun 6; 344 (6188): 1173–8.


[Закрыть].

Наиболее популярной в настоящее время теорией назначения сна, объясняющей, каким образом нейропластичность, связанная со сном, обеспечивает процессы запоминания и обучения, является теория синаптического гомеостаза, предложенная Джулио Тонони и Кьярой Чирелли из Висконсинского университета в 2003 г.{48}48
  Tononi G., Cirelli C. Sleep and synaptic homeostasis: a hypothesis. Brain Res Bull. 2003 Dec 15; 62 (2): 143–50.


[Закрыть] Согласно этой теории, мозгу необходимо регулярно переходить в состояние сна для того, чтобы иметь возможность перераспределять информационные потоки проходящих через нейрон следов памяти. Бодрствование характеризуется процессами получения новых впечатлений, обретения навыков, их запоминания. При этом между нейронами образуются новые связи, обеспечивающие функционирование следов памяти. В доказательство своей теории авторы приводят пример того, что у мышей, которым стимулировали в течение 24 часов усики-вибриссы в корковой зоне, отвечающей за получение информации от этих органов, плотность нейронных связей увеличилась на 35 %. В другом исследовании было показано, что в процессе получения информации в бодрствовании число дендритных шипиков увеличивается на 1 %. Если такое возрастание числа связей будет происходить в течение продолжительного времени, то нейрон так обрастет связями, что уже не будет в силах их поддерживать – на это не хватит запаса его медиаторов и источников энергии (молекул АТФ).

По мнению авторов теории, в состоянии бодрствования нейрон не может перераспределять потоки идущей через него информации посредством усиления или закрытия синапсов. Для этого ему требуется перейти в особое состояние – сон, главным свойством которого является прекращение получения информации извне. Тогда становится возможной операция даунскалирования – понижения интенсивности информационных потоков, в которых задействован данный нейрон. При этом те из следов памяти, которые оказались важными и активно задействовались в период бодрствования, становятся более стабильными. В направлении этого информационного потока увеличивается как число отростков (дендритов), так и количество соединений (синапсов) этого дендрита со следующим нейроном, участвующим в поддержании следа памяти. Если же след памяти задействуется редко, то во время сна происходит деградация задействованных в нем нейрональных связей – уменьшается число синапсов и дендритных шипиков или же они совсем пропадают, связь разрывается.

К окончанию сна нейрон приходит с перераспределенными информационными потоками, которые обслуживают следы памяти в зависимости от их важности. Ненужные следы уже инактивированы, а общая энергетическая нагрузка на поддержание этих потоков возвращается к некому исходному значению, оптимальному для данного нейрона. В уже упомянутом исследовании у мышей синаптическое даунскалирование привело к тому, что достигнутая путем стимуляции усов в состоянии бодрствования высокая плотность нейрональных связей через четверо суток, включавших соответствующие периоды полноценного сна, вернулась к норме. То же происходит в отношении изменения числа дендритных шипиков: раньше считалось, что после возникновения число их не изменяется, однако более поздние исследования показали, что за время сна их количество уменьшается на 2 %.

Согласно авторам этой теории, каждому из этапов процесса изменения синаптических весов межнейронных соединений соответствуют определенные электроэнцефалографические феномены: быстрые волны в бодрствовании во время обучения, медленные дельта-волны во время даунскалирования и уменьшение амплитуды этих волн по мере завершения процесса. Гипотеза Тонони и Чирелли вызвала целый шквал экспериментальных работ, подтвердивших предположения ученых. Эта же группа исследователей в 2014 г. подтвердила теорию «синаптического гомеостаза» опытами на дрозофиле, где ученые смогли наглядно показать процессы роста и деградации дендритных шипиков и синапсов в состоянии бодрствования и сна{49}49
  Tononi G., Cirelli C. Neuron. 2014 Jan 8; 81 (1): 12–34. Sleep and the price of plasticity: from synaptic and cellular homeostasis to memory consolidation and integration.


[Закрыть].

Не так давно началось изучение роли отдельных фаз сна в обеспечении нейропластичности. Было показано, что в период парадоксального сна происходит усиление связей через уже сформировавшиеся дендритные шипики и одновременно – устранение слабых связей, а медленноволновой сон отвечает в основном только за рост новых шипиков и образование синапсов.

Еще одной формой нейропластичности, которая имеет отношение ко сну, является ремэппинг – изменение протяженности корковых зон, ответственных за ту или иную функцию (как границы государств на географической карте). Этот механизм задействуется при патологических состояниях, в частности при мозговом инсульте. При этом заболевании часть нейронов корковой зоны, обслуживающей, например, функцию руки, погибает, а оставшихся моторных нейронов не хватает, чтобы обеспечивать движения. Если тренировать пораженную руку, заставлять ее совершать движения, то постепенно соседние нейроны будут вынуждены взять на себя функцию погибших по управлению конечностью. Границы зоны мозга, отвечающей за движения, изменятся, произойдет ремэппинг. Было показано, что успешность обретения новых моторных навыков у людей после инсульта зависит от функционального состояния – в сон помогает закрепить полученные вследствие тренировки пораженной конечности моторные навыки. Также можно предположить, что ремэппинг происходит и у здоровых людей при научении новому. Так, в исследованиях было показано, что на ЭЭГ здоровых людей во время сна после дневного обучения можно обнаружить зоны большей и меньшей выраженности медленноволновой активности в зависимости от того, был ли приобретаемый двигательный навык новым. В случае наличия компонента научения чему-то новому в теменной зоне мозга, соответствующей противоположной руке, в период медленного сна отмечается более выраженная медленноволновая активность (считается, что она связана с процессом запоминания).

В заключение этой главы следует еще раз напомнить об основных положениях современной теории назначения сна. Необходимость для живого существа регулярно переходить в это состояние определяется тем, что только в условиях отключения от внешних стимулов (деафферентации) и при переходе в особый режим активности нейронных сетей (периоды сочетанной активности, а затем молчания больших групп нейронов) возможно осуществление некоторых форм деятельности мозга. Во-первых, это процессы оценки и перераспределения потоков полученной информации в зависимости от ее значимости (теория синаптического гомеостаза). Во-вторых, мозг в состоянии сна может заняться делами внутренних органов, осуществляя тонкую настройку их работы. Этим можно объяснить пользу сна для работы таких органов, как поперечно-полосатые мышцы или кишечник. Функции сна для энергосбережения или накопления энергии, по-видимому, являются дополнительными, отражая тот факт, что само состояние сна является менее затратным в плане обеспечения энергией. То же можно сказать и об очистительной функции – снижение активности нервных клеток во сне сопровождается улучшением очищения их от балластных веществ. Загадкой остается пока положительное влияние сна на иммунитет: довольно общим ответом на этот вопрос может стать предположение, что состояние сна является более выгодным для процессов роста и деления клеток, в том числе и иммунокомпетентных.