первую очередь выяснить, что же именно происходит во время сна, что обращает вспять те неизбежные изменения, которые происходят в бодрствующем мозге.
Бодрствование и сон, согласно мнению большинства, – это глобальным образом регулируемое состояние мозга. Якобы существует некий переключатель, который может быть только в двух состояниях «включен» или «выключен» – третьего не дано. Однако спонтанная активность мозга во время сна не всегда глобальна, и топографические градиенты – увеличение или уменьшение уровня активности в определенных его отделах – скорее правило, чем исключение.
Например, известно, что медленные волны ЭЭГ, связанные с чередованием активного и неактивного состояния нейронов, никогда не происходят во всем мозге одновременно. Часто можно наблюдать, как один регион мозга активен, когда другой погружен в совершенную тишину, но через мгновение ситуация может измениться на противоположную. Даже у лабораторных мышей и крыс, размеры мозга которых едва достигают нескольких сантиметров, локальный сон – обычное явление. И у людей, и у животных лобные доли мозга спят глубже; также было обнаружено, что правое и левое полушарие спят неодинаково глубоко!
Самый наглядный пример локального сна – однополушарный сон у дельфинов, морских млекопитающих, которые никогда не спят «полностью» – об этом мы уже рассказывали в начале книги. Но самое интересное – региональные различия в выраженности и глубине сна не только обусловлены анатомическими различиями. Было доказано, что лишение сна в одном полушарии у дельфинов приводит к тому, что именно оно впоследствии компенсирует потерю «местным» увеличением глубины сна[142]. Кроме того, известно, что периферическая или центральная стимуляция определенных областей мозга во время бодрствования влечет за собой в последующем сне именно локальное, а не только глобальное усиление медленных волн ЭЭГ. А если эти волны действительно являются прямым отражением восстановительного процесса сна, то напрашивается вывод, что после интенсивного использования определенной области коры во время бодрствующего поведения у нее острее возникает необходимость в последующем восстановлении. Это означает, что не только продолжительность бодрствования, но и конкретные виды бодрствования влияют на интенсивность последующего сна – это раз, и два – гомеостаз сна имеет локальный компонент.
Почти полвека назад Джузеппе Моруцци предположил, что основу сна следует искать на клеточном уровне: «Сон касается не всего головного мозга и даже неокортекса, а в первую очередь только тех нейронов или синапсов и, возможно, глиальных клеток, которые во время бодрствования осуществляют функции мозга, связанные с сознательным поведением»[143]. О том, что медленные волны непосредственно отражают восстановительный процесс сна и что потребность в этом восстановительном процессе сильнее в областях коры головного мозга, которые интенсивно использовались во время бодрствования, мы только что упоминали. Медленные волны, которые можно измерить по активности ЭЭГ, отражают наличие периодов «выключения» популяции нейронов, когда местная активность нейронов временно подавляется. Хотя концепция гомеостатической регуляции сна широко признана, природа таинственного сигнала, который определяет, как долго мозг не спит или спит, остается мало исследованной.
Как известно, бодрствующее состояние в целом не однородное, а скорее состоит из элементов, которые отличаются типами бодрствующего поведения и общей активности мозга.
Лабораторные мыши, которым предоставляется возможность бегать в колесе, могут преодолевать 20 километров каждую ночь, лишая самих себя сна, – словно в это время потребность во сне накапливается медленнее. И действительно, во время бега нейронная активность в моторной и сенсорной областях неокортекса существенно снижается, в среднем по меньшей мере на 30 %. Как это ни парадоксально звучит, оказывается, общее активное поведение и интенсивное движение не всегда требуют высокой активности мозга, которая скорее определяется характеристиками или качеством поведения. На основании этих наблюдений ученые пришли к заключению, что бодрствующие состояния, в которых преобладает простое поведение, характеризующееся повторяющимися стереотипными или ритмичными движениями, могут существенно отличаться от обычного целенаправленного бодрствующего поведения. Хочется предположить, что такое бодрствование даже может позволить мозгу отдыхать и восстанавливаться без погружения в глубокий сон или обеспечить некоторые преимущества сна. Соответственно, последние данные свидетельствуют о том, что короткие периоды физических упражнений могут быть полезны для когнитивных функций, аналогично общеизвестным преимуществам сна.
Примечательно, что в природе существуют и другие примеры, которые подтверждают эту возможность. Например, у птиц во время миграции или полета отмечается резкое снижение количества сна при определенных условиях. Или медитативная практика у людей, которая, как было показано, сопровождается существенным продлением бодрствования и снижением склонности ко сну. Пока неизвестно, почему медитация обладает таким удивительным эффектом, возможно, что она связана с таким состоянием мозга (или организма), когда время идет медленнее? Точно так же мыши, которые много часов непрерывно бегают в колесе с относительно бездействующим мозгом, оказываются запертыми в собственном продолжительном бодрствующем настоящем.
Но если нейроны, как мы уже упоминали, нуждающиеся в восстановлении, не отличаются от клеток в любой другой ткани, то напрашивается вопрос: почему первые и наиболее драматические изменения, такие как снижение внимания, настроения и памяти, которые возникают с потерей сна, касаются именно функций мозга? Почему мы не спим локально, по мере необходимости, по одному нейрону друг за другом, получая в таком случае возможность бодрствовать бесконечно? Важный аргумент против существования такой функции у человека – предположение о том, что локальный нейронный сон во время бодрствования влияет на функцию мозга в целом и может поставить под угрозу общее состояние и поведение.
Несколько исследований доказали, что длительное бодрствование связано с увеличением «сонной» активности в головном мозге. Так, во время хронической депривации сна более медленная активность на частотах, характерных для сна, обнаруживается в ЭЭГ во время бодрствования, что может приводить к появлению диссоциированных или смешанных состояний[144] (бодрствование во сне), которые не выполняют в полной мере ни функции физиологического сна, ни функции бодрствования. С другой стороны, нарушения поведения и когнитивных функций, которые возникают в результате локального сна во время бодрствования, могут представлять собой обратную связь, сигнализирующую о необходимости глобального сна. В свою очередь, наступление глобального поведенческого сна облегчает процесс восстановления индивидуальным нейронам наиболее эффективным образом и в максимально короткие сроки.
Появление сна в эволюции, по-видимому, происходило параллельно с увеличением сложности мозга. Поэтому основной проблемой для сна, возможно, было создание условий, которые позволили бы удовлетворять потребность в отдыхе на уровне отдельных нейронов, встроенных в прогрессивно усложняющиеся нейронные сети. Таким образом, функцию сна как поведенческого и глобального состояния мозга все же следует рассматривать отдельно от функции сна локального.
Вернемся к вопросу, с которого мы начали главу: что же это такое, что, собственно, спит? С одной стороны, даже отдельные нейроны, судя по всему, обладают способностью к засыпанию. С другой стороны, сон на нейронном уровне наиболее эффективен только тогда, когда спит все и одновременно. В 1970 году Натаниэль Клейтман проницательно отметил: «Во многих опубликованных исследованиях сна фаза бодрствования, с которой он чередуется, почему-то принимается как должное. Нам так хорошо известно, что происходит, когда мы бодрствуем… А знание порождает высокомерие. Мы думаем о тайне сна, но не о бесконечно более сложной природе аналитического и интегративного функционирования нервной системы во время бодрствования». Пожалуй, пора вернуться к вопросу, который мы уже неоднократно затрагивали: почему же сон вообще произошел?
Глава IXЭкология сна
«Каждое животное проводит определенную часть жизни во сне. Это правило, у которого нет исключений. Но тип сна и степень его глубины у разных организмов существенно различаются». Утверждением философа и врача Роберта Макниша едва ли сегодня можно кого-то удивить. Но в первой половине XIX века, когда ученый жил и работал, тезис совсем не соответствовал духу времени. Разве могут животные – движущиеся механизмы без эмоций, без чувств, как считала тогда наука, – спать? Ведь следом можно было бы предположить: животным присуще еще и сознание, и даже что они способны мыслить и страдать! Удивительно, но лишь сравнительно недавно и только в немногих странах было официально признано, что животные наделены «разумом». Пожалуй, наше понимание самих себя продвинулось бы намного дальше, если бы мы вовремя признали, что пропасть между нами и остальным живым миром не так широка. Впрочем, всему свое время.
Уделом большинства революционных научных идей был долгий и тернистый путь. Возможно, чаще, чем мы можем себе это представить. Новые мысли, появившись в муках сомнений, затем предавались забвению и уходили в небытие, не оставив следа. Другим доводилось увидеть свет, чтобы быть оспоренными или даже осмеянными вместе с их творцом, прежде чем вернуться и определить новое направление в постижении мира. Достаточно вспомнить теорию о происхождении видов Чарльза Дарвина, которую он не решался представить на рассмотрение широкой публики многие годы, или Николая Коперника, опубликовавшего свое главное достижение о том, что Земля обращается вокруг Солнца, только перед своей смертью, в 1543 году.