Как «работает» анестезия – не существует единого мнения. Одно из представлений рассматривает действие общей анестезии (наркоза) на уровне каких-то глобальных механизмов, которые ответственны за поддержание нейронной возбудимости или синаптической передачи. Иначе как же можно объяснить, что различные по структуре, физическим и химическим свойствам молекулы оксида азота, эфира, пропофола или кетамина вызывают внешне неотличимое состояние потери сознания и чувствительности? Именно таким вопросом задавались некоторые ученые.
Анестезия влияет похожим образом как на млекопитающих с их крайне сложным мозгом, так и на простейших животных – одноклеточных и насекомых. Более того, анестезия действует даже на растения! Знаменитый французский физиолог Клод Бернар, известный изложением принципа постоянства внутренней среды, которое позже получило название гомеостаза, провел первые эксперименты по изучению влияния наркоза на растения и обнаружил, что они теряют чувствительность во время его действия. «То, что является живым, имеет способность ощущать и может быть введено в состояние наркоза, а то, что не может, – не является живым», – заявлял Бернард. После длительного перерыва в подобных исследованиях (удивительно, насколько велико наше желание исключить растения из категории живых существ) немецкий биолог Франтишек Балушка заинтересовался темой и не только воспроизвел эксперименты Клода Бернара, но и продолжил наблюдать за реакцией растений, которые оказались под влиянием анестезии – как общей, так и местной. Балушка и его коллеги обнаружили, что ростки гороха впадали в оцепенение, хищное растение венерина мухоловка прекращала захлопываться при стимуляции, а «чувствительная» мимоза теряла способность ощущать прикосновения к своим листьям под влиянием паров эфира – одного из первых анестетиков, которые с середины XIX века начали активно применять в хирургии. Результаты наблюдений вдохновили ученых на поиски молекул, оказывающих соответствующие воздействия на организм, независимо от наличия нервной системы. В список кандидатов на эту роль попали всевозможные рецепторы, которые регулируют транспорт ионов через клеточные мембраны и даже внутриклеточные механизмы, включая цитоскелет. Новое определение анестезии сегодня подразумевает как и отсоединение от окружающего мира – отключение, которое заключается в утрате способности ощущать, так и возможность отвечать на внешние или внутренние раздражители. Иными словами, состояние наркоза нарушает нормальный процесс взаимодействия между организмом и его средой обитания – как во сне.
Круг замкнулся, и мы возвращаемся к исходной позиции: мы знаем, что такое боль и как ее определить; можем теоретически объяснить ее молекулярные, нейрохимические и нейроанатомические механизмы, но как субъективное явление она остается неуловимой, ускользает от понимания. Где она возникает? Как формируется? Почему она ощущается именно так? Вопросы, которые пока остаются без ответа. То же и с проблемой сна.
Интуиция подсказывает, что сон где-то должен начинаться. Один возможный сценарий, который мы уже обсуждали, – это наличие «рычага», который «переключает» сон на бодрствование и наоборот. Скептики возражают: если такой тумблер и существует, то кто-то или что-то должно его переключать, не так ли? Одно популярное мнение склоняется к существованию механизма, который отсчитывает минуты и часы, проведенные в бодрствующем состоянии. Представьте песочные часы, в которых песчинки пересыпаются из верхнего отдела в нижний. Количество песка отражает некоторый теоретический параметр, который соответствует величине временнóй необходимости во сне. Утром она обычно невелика, но чем дольше мы бодрствуем, тем выше набирается горка сна, его «давление» повышается.
Упомянутый выше Клод Бернар приложил немало усилий, чтобы развить учение, которое до сих пор остается центральным в биологии: он привлек внимание к тому факту, что для нормального функционирования организма требуется поддерживать его внутреннюю среду в некотором состоянии равновесия. Американский физиолог Уолтер Брэдфорд Кеннон[138] развил идею, предложив в 1932 году теорию о гомеостазе. Под гомеостазом подразумевается свойство системы поддерживать постоянство или динамическое равновесие своего состояния с помощью регуляции его параметров. «Нестабильная субстанция, из которой мы состоим, нашла уловку, научилась поддерживать стабильность», – объяснял Кеннон введенное им понятие.
В нейробиологии термин гомеостаз стали использовать спустя несколько десятилетий, применяя его к описанию одной из форм нейронной или синаптической пластичности. Основная функция синаптической пластичности заключается в том, чтобы обеспечивать необходимую гибкость во взаимодействии организма с постоянно меняющейся внеш ней и внутренней средой, что достигается с помощью обучения, установления ассоциаций. Неудивительно, что некоторые формы нейропластичности обнаруживаются даже на самых ранних ступенях эволюции. Еще предстоит установить, когда впервые появилась пластичность нейронов, однако известно, что способностью запоминать обладают даже беспозвоночные.
Итак, синаптическая пластичность касается взаимодействия между отдельными нейронами. Внутри головного мозга каждый нейрон связан с тысячами других нейронов, как находящихся поблизости, так и удаленных настолько, насколько это возможно в пределах нервной системы организма. Каждый нейрон может получать огромное количество информации в любое мгновение. Однако «отвечает» каждый нейрон – в случае, если он вообще «расположен» отвечать, – только несколькими разрядами активности в секунду. Существует много внутренних и внешних факторов, влияющих на активность нейронов, но даже если все эти факторы остаются стабильными, способность реагировать на входящие сигналы определяется тем, насколько эффективны синаптические контакты, которые воздействуют на определенный нейрон, – и это строго регулируется. Мозг постоянно получает сенсорную информацию, он непрерывно выполняет сложные вычислительные задачи, например извлекает и интерпретирует паттерны активности данного нейронов, которые определяются контекстом, будущими целями и предшествующим опытом. Чтобы синаптическая пластичность была полезной, она должна постоянно настраиваться, чтобы не принять аберрантную – отклоняющуюся от нормальной – форму.
Каждый нейрон может получать огромное количество информации в любое мгновение.
Регулирование синаптических связей жизненно важно для выживания, поскольку позволяет наиболее эффективно перераспределять существующие ограниченные ресурсы, передавая информацию тем нейронам или локальным (или распределенным) нейронным сетям, которые наиболее вовлечены в решение насущной задачи или задач. В последние полвека в нейробиологии были открыты многие явления, связанные с синаптической пластичностью, одно из них – гомеостатическая пластичность, которая характеризует способность нейронов регулировать собственную возбудимость. Считается, что гомеостатическая пластичность обеспечивает модулирование синаптических контактов или свойств ионных каналов. Однако в этой области до сих пор встречается много путаницы в определении переменных, участвующих в гомеостатическом регулировании и в описании функций соответствующих механизмов.
Необходимость явления гомеостатической пластичности легко представить, если принять во внимание поистине астрономическое количество нейронов, огромное количество связей между ними и способность нейронов к возбуждению. Каким образом достигается точная регуляция мозговых систем в каждый данный момент? Как бы это упорядочивание ни происходило, результат позволяет нам находиться ровно посередине: между неконтролируемым возбуждением, которое ведет к судорожным припадкам, и глубоким торможением, характерным для необратимого коматозного состояния. Как не восхищаться удивительной способностью мозга сохранять физиологический баланс? Роль сна и бодрствования в регулировании синаптической пластичности хорошо известна, но напрашивается обратный вопрос: имеет ли этот процесс отношение к регуляции самого сна и бодрствования?
Концепция гомеостаза сна была разработана в 80-х годах прошлого века швейцарским исследователем сна Александром Борбели и затем развита в сотрудничестве с голландским хронобиологом Сержем Дааном. Основной постулат этой теории состоит в следующем: чем дольше вы не спите, тем глубже ваш последующий сон. Иными словами, потребность во сне – давление сна – увеличивается пропорционально продолжительности и качеству предшествующего бодрствования. Затем, во время последующего сна, необходимость во сне постепенно снижается в зависимости от его продолжительности и интенсивности.
Гомеостаз сна обнаружен у всех видов животных, изученных до настоящего времени, включая беспозвоночных. Этот факт позволяет предположить, что способность саморегуляции касается какой-то фундаментальной функции сна, и подразумевает, что речь идет о жизненно важном процессе. Наиболее характерным физиологическим показателем предшествующей истории сна и бодрствования считается уровень медленноволновой активности (SWA)[139], который фиксируется электроэнцефалограммой во время NREM-фазы сна. У млекопитающих величина SWA особенно высока после его депривации и соответствует повышенному порогу пробуждения, что отражает глубину сна. На основании этих наблюдений было высказано предположение, что SWA – прямой признак восстановительных процессов, происходящих во время сна. Важно подчеркнуть: уровень медленноволновой активности обычно низкий во время бодрствования, когда стимулирующее действие возбуждающих нейромодуляторов, таких как орексин или норадреналин, предотвращает переход нейронов в «спящее состояние» и их глобальную синхронизацию.
Центральное место в теории гомеостаза сна занимает гипотетическая переменная, названная процессом S[140]