Что происходит в мозге, когда мы спим?
Что происходит в мозге, когда мы глубоко спим? Какую роль различные стадии сна играют в обучении и формировании памяти? Что насчет беспокойства и боли? Какая роль у нейронов и нейромедиаторов? Эти вопросы мы рассмотрим в данной статье, используя самые последние имеющиеся научные факты.
Ученые в целом согласны с тем, что существует четыре стадии сна, которые мы проходим несколько раз за ночь. Первые три образуют так называемый сон без быстрого движения глаз (БДГ), или медленный сон, а четвертый — БДГ-сон, или быстрый сон, в котором появляются сновидения.
Во время первой стадии, не связанной с БДГ, тело и мозг переходят от бодрствования ко сну. Электрические колебания мозга меняют свой ритм с активного и бодрствующего на более медленный.
Мышцы во всем теле расслабляются. Это фаза, в течение которой тело может дергаться, когда мы погружаемся в сон.
Во время второй стадии медленного сна падает температура тела, замедляются сердцебиение и дыхание. На этой стадии сна еще больше замедляются мозговые волны, но все еще могут появляться короткие всплески электрической активности.
Третья стадия медленного сна — это стадия глубокого сна, которая необходима телу для того, чтобы проснуться обновленным и восстановленным. На этой стадии частота сердечных сокращений, дыхания и мозговой активности падает до самой низкой точки.
Фаза быстрого, наполненного сновидениями, легкого сна является четвертой и последней. По данным Национального института неврологических расстройств и инсульта (NINDS), БДГ возникает примерно через 90 минут после засыпания.
БДГ-сон длится примерно 10 минут в первый раз, увеличиваясь с каждым БДГ-циклом. Быстрое движение глаз называется так потому, что глаза буквально быстро двигаются за закрытыми веками.
Во время быстрого сна дыхание становится более частым и нерегулярным, увеличивается количество сердечных сокращений и повышается кровяное давление.
Циркадные ритмы и нейроны, контролирующие сон
Одним из двух основных факторов, контролирующих сон, является совокупность «физических, умственных и поведенческих изменений, которые следуют за суточным циклом» — так называемые циркадные ритмы. Термин «циркадный» происходит от латинского circa, что означает «вокруг», и dies, что означает «день».
Циркадные ритмы реагируют на цикл света и тьмы и генетически предопределены, по крайней мере, частично. Они диктуются так называемыми биологическими часами — белками, которые взаимодействуют внутри клеток в каждой ткани и органе человеческого тела.
Супрахиазматическое ядро, структура в мозге, образованная группой примерно из 20000 нейронов, координирует все биологические часы.
Второй фактор — гомеостаз сна-бодрствования также отслеживает потребность человека во сне и диктует, когда ему засыпать. Так называемое гомеостатическое влечение ко сну возрастает с увеличением времени бодрствования человека. Его видимое влияние на активность мозга и связь между нейронами хорошо документировано.
Сон, память и обучение
Другая область, которая была в центре внимания многих исследований, — это связь между сном и обучением или формированием памяти. Ученые точно знают, что сон имеет решающее значение для обучения, но какая стадия сна важнее?
Происходит ли обучение в легкой фазе быстрого сна или в глубокой фазе медленного сна? Как нейроны в разных областях мозга координируют свои действия на разных стадиях сна, чтобы облегчить обучение и консолидацию памяти?
Два новых исследования помогают пролить свет на эти вопросы.
Сон помогает мозгу учиться и оставаться гибким
В первом исследовании экспериментаторы вмешивались в состояние глубокого сна участников исследования, попросив их выучить некую последовательность движений. Ученые следили за активностью мозга участников — в частности, за их двигательной корой — на протяжении всего исследования.
Команда, возглавляемая швейцарскими учеными, обнаружила, что беспокойный глубокий сон приводит к заметному снижению эффективности обучения. Исследователи объяснили, что такие результаты связаны с синапсами мозга и их ролью в обучении.
Синапсы — это микроскопические связи между нейронами, которые вместе с химическими веществами мозга, или нейромедиаторами, облегчают передачу электрических импульсов от одного нейрона к другому. В течение дня синапсы включаются в ответ на стимулы, которые мозг получает из окружающей среды.
Но во время сна активность этих синапсов возвращается к норме. Без этого восстановительного периода они остаются возбужденными слишком долго.
Это нарушает нейропластичность мозга — то есть его способность перестраивать себя и создавать новые связи между нейронами. Нейропластичность позволяет мозгу «подхватывать» новые навыки, изменяться и приспосабливаться к стимулам окружающей среды и, в конечном счете, учиться новому.
Один из соавторов исследования, Николь Вендерот, профессор кафедры медицинских наук и технологий Швейцарской высшей технической школы Цюриха, объясняет, что произошло в их новом исследовании.
«В сильно возбужденной области мозга эффективность обучения была максимальна и больше не могла изменяться, что препятствовало обучению двигательным навыкам».
Насколько известно авторам, это было первое исследование такого рода. «Мы разработали метод, который позволяет уменьшить глубину сна в определенной части мозга и тем самым доказать причинно-следственную связь между глубоким сном и эффективностью обучения», — говорит соавтор исследования профессор Рето Хубер.
Сон также помогает нам забывать
Во втором исследовании при изучении всех стадий сна была выявлена еще одна особенность. Теперь ученые использовали аудиозаписи с заданиями. Исследователи воспроизводили звуковые последовательности, пока участники спали и бодрствовали.
Они контролировали электрическую активность мозга добровольцев с помощью электроэнцефалограммы (ЭЭГ).
ЭЭГ также зафиксировала сонные веретена, которые возникали, когда спящий мозг узнавал новые звуки. Сонные веретена — это всплески в колебательной активности мозга, которые предыдущие исследования связывали с обучением и консолидацией памяти.
После каждого сеанса сна экспериментаторы просили участников повторно прослушать звуковые последовательности и распознать их. Результаты обучения оценивались с помощью тестов.
Используя данные ЭЭГ, ученые исследовали три фазы сна: быстрый, легкий неглубокий и глубокий медленный сон.
При воздействии звуков во время быстрого сна или во время легкого неглубокого сна участники лучше узнавали их, когда бодрствовали. Но когда они подвергались воздействию новых звуков во время глубокого медленного сна, им было труднее распознавать последовательность звуков во время бодрствования.
Кроме того, в то время как «ЭЭГ-маркеры обучения легко наблюдались в легком неглубоком сне, они заметно отсутствовали в глубоком медленном сне», — сообщают ученые.
Более того, участникам было не только трудно распознать звуки, которые исследователи воспроизводили для них в их глубоком медленном сне, но им было еще труднее (повторно) выучить эти звуки по сравнению с совершенно новыми звуками.
Полученные данные свидетельствуют о том, что глубокий медленный сон позволяет подавлять информацию.
«Самым большим сюрпризом стала способность мозга избавляться от информации. Таким образом, во время сна мы можем либо формировать новые воспоминания, учиться, либо делать обратное: подавлять воспоминания и забывать», — говорит Томас Андриллон, ведущий автор исследования.
Эти данные также доказывают, что глубокий сон помогает поддерживать нейропластичность. В частности, легкий неглубокий сон (стадия 2) может помочь возбудить синапсы, в то время как глубокий медленный сон может помочь им расслабиться.
«Такой контраст между легким неглубоким и глубоким медленным сном согласуется с качественным различием между этими двумя стадиями сна в отношении нейронной пластичности, — пишут авторы. — Согласно этой точке зрения, легкий сон способствует синаптическому усилению, в то время как глубокий сон способствует синаптическому ослаблению».
Таким образом, глубокий сон может помочь нам забыть что-то, так как забывание — это естественный побочный продукт сохранения нейропластичности; забывание — это побочный продукт нашей способности учиться.
Объединение теорий сна
Выводы, полученные в ходе исследований Андриллоном и его коллегами, важны еще и потому, что они позволяют объединить две ранее противоречивые школы мысли. Одну, которая гласит, что основная функция сна заключается в усвоении и закреплении новой информации. И другую, в которой ключевой функцией сна считается отказ от бесполезной информации, позволяющий не перегружать мозг.
По мере сбора нейробиологических данных о том, как работает сон, становится очевидной необходимость изучения сна или роли сна в обучении без дихотомий, и недавние исследования доказывают это. Быстрый и медленный сон работают вместе. А именно, медленный сон повышает эффективность вновь приобретенных навыков, восстанавливая гибкость и нейропластичность, в то время как быстрый сон стабилизирует эти улучшения и предотвращает их стирание новыми знаниями.
Новое исследование началось с той же гипотезы, которую подчеркивают вышеприведенные исследования, — сон должен укреплять синапсы и нейронные связи, созданные в течение дня (чтобы закрепить новые знания и предотвратить их перезапись новой информацией). Однако он также должен ослаблять синапсы, чтобы сохранить их гибкость и нейропластичность мозга.
Это исследование, проведенное Масако Тамаки, ученым кафедры когнитивных, лингвистических и психологических наук Брауновского университета, включало визуальные задания. Исследователи давали одной группе участников два различных задания, одно перед сном и одно после сна. Другая группа не получила никаких учебных заданий.
Ученые использовали МРТ-сканеры и электроды, которые они прикладывали к головам и векам участников. Они также использовали магнитно-резонансную спектроскопию для измерения двух химических веществ мозга, участвующих в нейронной пластичности и стабилизации.
Тамаки и его команда обнаружили, что нейропластичность возрастает во время медленного сна. Это было связано с улучшением обучения и выполнения задач после сна.
Во время быстрого сна нейронная пластичность участников снижалась. Исследователи предполагают, что быстрый сон помогает предотвратить «перезапись» выученного перед сном последующим обучением.
В отличие от медленного сна, во время быстрого сна среди добровольцев, подверженных обучению, наблюдалось резкое падение пластичности.
По словам исследователей: «[Нейропластичность] возрастала во время не-БДГ-сна независимо от того, происходило ли обучение перед сном, но она была связана с повышением производительности после сна. Напротив, [нейропластичность] снижалась во время БДГ-сна, но только после тренировки перед сном, и это снижение было связано со стабилизацией обучения перед сном».
«Эти результаты показывают, что не-БДГ-сон стимулирует пластичность, приводя к повышению производительности независимо от обучения, в то время как БДГ-сон снижает пластичность, чтобы стабилизировать обучение специфическим для этого способом», — Масако Тамаки и др.
Нейроны, которые заставляют нас забывать сны
Не только синапсы могут помочь или помешать процессу обучения во время сна, но и сами нейроны. Некоторые исследователи выделили особые нейроны, играющие ключевую роль в формировании памяти, которые помогают нам «активно забывать» сны.
Например, исследование, опубликованное в журнале Science, показало, что некоторые из этих нейронов находятся в гиппокампе — области мозга, имеющей решающее значение для формирования воспоминаний и приобретения знаний.
Акихиро Яманака, доктор философии из Нагойского университета в Японии, и его коллеги экспериментировали с некоторыми из этих нейронов, продуцирующих меланинконцентрирующий гормон (МКГ), который помогает регулировать как сон, так и аппетит.
Яманака и его команда провели эксперименты на мышах. Исследование показало, что активация этой «особой группы [МКГ-продуцирующих] нейронов во время быстрого сна контролирует, запоминает ли мозг новую информацию после хорошего ночного сна».
Генетическое удаление этих нейронов у мышей предполагает, что эти клетки «помогают мозгу активно забывать новую, возможно, несущественную информацию». Более того, полученные данные указывают на роль этих нейронов в забывании снов.
Соавтор исследования Томас Килдафф, доктор философии и руководитель Центра нейронаук Международного исследовательского института (СИИ) в Менло-Парк (Калифорния), объясняет:
«Поскольку считается, что сновидения в основном появляются во время быстрого сна, когда включаются клетки МКГ, активация этих клеток может препятствовать хранению содержимого сновидения в гиппокампе — следовательно, сновидение быстро забывается».
Сон облегчает боль и тревогу в мозге
Нейробиология сна также проливает свет на болеутоляющие и успокаивающие эффекты сна.
Например, исследование, опубликованное в прошлом году, показало, что область мозга, связанная с восприимчивостью к боли (называемая соматосенсорной корой), гиперактивна у участников, лишенных сна, то есть недостаток сна нарушает работу нейронных цепей мозга, обрабатывающих боль.
Кроме того, то же самое исследование показало, что активность в области прилежащего ядра мозга упала после бессонной ночи. Прилежащее ядро высвобождает нейромедиатор дофамин, который усиливает чувство удовольствия и уменьшает ощущение боли.
«Потеря сна не только усиливает болевые ощущения в мозге, но и блокирует естественные центры анальгезии», — объясняет ведущий автор исследования Мэтью Уолкер, профессор нейробиологии и психологии Калифорнийского университета в Беркли.
Его команда также обнаружила, что островок мозга, который оценивает болевые сигналы и подготавливает болевую реакцию, был недостаточно активен у людей, лишенных сна.
Бессонница мешает этой «крайне необходимой нейронной системе, которая оценивает и классифицирует болевые сигналы и позволяет естественным обезболивающим организма прийти на помощь», — отмечает Адам Краузе, ведущий автор исследования.
Глубокий сон снимает беспокойство в основной области мозга
Что касается анксиолитических эффектов сна, то функциональные МРТ-снимки и полисомнограммы показали, что медиальная префронтальная кора головного мозга является основной. Эта область деактивировалась после бессонной ночи в некоторых исследованиях под руководством того же профессора Уолкера.
Предыдущие исследования показали, что медиальная префронтальная кора помогает снизить тревогу и уровень стресса. В исследовании профессора Уолкера другие области, связанные с обработкой эмоций, были гиперактивны у пациентов, страдающих недосыпанием.
«Оставаться без сна — это почти то же самое, как если бы мозг слишком сильно давил на эмоциональную педаль газа, не имея педали тормоза, — объясняет профессор Уолкер. — Бессонная ночь вызывает скачок уровня тревоги до 30%».
Кроме того, исследование показало, что уровень тревожности снижается после полноценной ночи сна, и что это снижение было еще более резким у участников, которые проводили больше времени в глубокой стадии медленного сна.
«Глубокий сон восстанавливает префронтальный механизм мозга, который регулирует наши эмоции, снижая эмоциональную и физиологическую реактивность и предотвращая эскалацию тревоги», — говорит Эти Бен Саймон, соавтор исследования.
