Зачем нам нужен сон и как он изменился с появлением электричества

Среда обитания современного человека радикально отличается от тех условий, к которым нас приспособила эволюция. Одни некогда эффективные процессы начинают работать нам во вред, в другие мы грубо вмешиваемся сами. Наше репродуктивное поведение далеко от эволюционно выгодного «размножайся раньше и больше». Реакция на стресс у офисного работника в виде выброса адреналина, повышающего артериальное давление, лишена всякого смысла. Накопление энергии из пищи не помогает пережить тяжелые времена или сохранить тепло, но приводит к вредному для здоровья ожирению. В число таких особенностей нашего организма, которые в современных реалиях скорее мешают человеку, входит и сон.

Среда меняется, а мы — нет, во всяком случае физиологически: эволюции не поспеть за нововведениями.

В каком-то смысле мы всё те же пещерные люди, но в новых условиях.

Загадочное чувство времени, прописанное в нашем генетическом коде, заставляет что-то внутри нас неумолимо отсчитывать ритмы сна и бодрствования точно так же, как это происходило миллионы лет назад. Что же оно собой представляет?

Сравнительно молодая наука (ей всего около 60 лет), изучающая биологические ритмы, называется «хронобиология». Смена дня и ночи далеко не единственное циклическое изменение, с которым могут быть синхронизированы физиологические процессы, протекающие в живом организме. Влияние оказывают также время года (длина светового дня), лунный цикл, приливы и отливы. И всё же суточные ритмы остаются самыми интересными для ученых. Мы знаем о них совсем мало — и вопросов гораздо больше, чем ответов.

Наши биологические часы «тикают» благодаря «маятнику» в генах, кодирующих выработку определенных белков. Колебания от начала до подавления этого процесса зависят от концентрации конечного продукта: как только его уровень достигает максимальной отметки, синтез прекращается и количество белка закономерно снижается, пока считывание информации с гена не запустится вновь.

Внешние факторы, такие как свет, продолжительность светового дня, тоже могут оказывать влияние на активность генов.

Внутри суточного ритма выделяются еще и короткие полуторачасовые периоды подъема и спада активности, что наиболее наглядно проявляется во время сна, при чередовании его циклов. Откуда нам это известно? Дело в том, что наш сон, а точнее его основные физиологические характеристики, можно записать в специальных лабораториях, где испытуемому предлагается провести ночь с закрепленными по всему телу датчиками. Они фиксируют электрическую активность мозга (электроэнцефалограмма), движения глаз, изменения в мышечном тонусе (напряжение), работе дыхательной и сердечно-сосудистой систем. Появление в конце 1930-х годов этого метода — полисомнографии — положило начало исследованиям сна. Тогда же стало понятно, что он неоднороден и можно выделить по крайней мере две принципиально отличные друг от друга фазы: медленную и быструю. Названы они так из-за разных электроэнцефалографических ритмов, свойственных каждой из них.

Медленный сон также включает в себя несколько стадий. Технически они различаются видом энцефалограммы, а практически — глубиной: чем сон глубже, тем лучше синхронизирована работа нейронов, что видно на записи.

Активное бодрствование характеризуется функциональной независимостью и дискретностью каждой отдельной нервной клетки.

Она обрабатывает огромное множество сигналов, приходящих к ней от несметного количества других нейронов, и генерирует свой импульс, распространяющийся по ветвящимся отросткам к многочисленным «соседям по мозгу». Так функционирует нейросеть, или, говоря проще, сознание, обеспечивая нам возможность взаимодействовать с внешним миром.

Когда мы записываем электроэнцефалограмму, то получаем общую картину активности огромного множества нервных клеток. Во время бодрствования деятельность мозга нерегулярна, быстра и хаотична, что отражает кривая: сумма разнообразных случайных величин не может породить красивого рисунка в виде больших волн. Они характерны для глубоких стадий медленного сна — но в какой-то момент полисомнограмма становится похожей на ту, что наблюдалась на этапе бодрствования. В то же время другие датчики говорят нам о предельном снижении мышечного тонуса, а глаза совершают причудливые резкие движения. Это быстрая фаза, когда мы видим сны и нас очень легко разбудить. Наступает она примерно через полтора часа после того, как мы засыпаем, и по ее завершении 90-минутный цикл повторяется вновь.

Быстрый сон называют еще «парадоксальным», потому что для него характерны признаки бодрствования, а в научной литературе он обозначается аббревиатурой REM — от англ. rapid eye movement, «быстрое движение глаз». Причины столь высокой активности органов зрения до сих пор неизвестны.

Во время REM-сна мышцы максимально расслаблены, и стороннему наблюдателю может показаться, что ничего не происходит, кроме быстрых движений глаз и вегетативных реакций, например изменения частоты дыхания. Сновидения, характерные для этой стадии, скорее всего, представляют собой «побочный продукт» высокой активности и вызваны высвобождением дофамина — «вещества удовольствия».

Доподлинно не известно, только ли в быстрой фазе мы видим сны.

Эта стадия — довольно парадоксальное явление. Она архаична, и ее доля в общем отдыхе тем выше, чем древнее теплокровное животное, а потому фору всем остальным здесь могут дать эволюционные долгожители-рекордсмены среди млекопитающих — яйцекладущий утконос и сумчатый опоссум. Структуры мозга, ответственные за быстрый сон, сформировались гораздо раньше, чем те, что связаны с медленным. С другой стороны, у холоднокровных животных эта фаза отсутствует вовсе! Вернее, периоды, когда они пребывают в монотонном состоянии, не прерываются эпизодами повышенной мозговой активности. Высказывалось предположение, что этот сон является своего рода эволюционной трансформацией примитивного бодрствования, которая, по-видимому, оказалась выгодной для развития нервной системы.

REM-сон важен. Ввиду высокой активности головного мозга он необходим для созревания нервной ткани и правильного формирования архитектуры коры.

Например, дети чрезвычайно много времени проводят в быстром сне — чем они младше, тем выше этот показатель.

Плод в период внутриутробного развития пребывает бо́льшую часть суток в REM-стадии, которая заменяет ему пока отсутствующие стимулы извне.

Однако цикличен не только сон — для нашего дня характерны те же самые полуторачасовые колебания уровня бодрости. Активность и утомление сменяют друг друга у взрослого человека в крайних точках 90-минутного периода, а у младенцев — 60-минутного. Такой цикл был назван Basic Rest Activity Cycle, сокращенно — BRAC. Расписание в вузах и распорядок дня большинства людей интуитивно составляются таким образом, чтобы они соответствовали этому «графику»: мы склонны делать перерывы в работе примерно каждые полтора часа.

Во сне же пики активности выражаются еще и в коротких пробуждениях. Да, они есть, даже если вам кажется, что вы спали всю ночь не размыкая глаз. В норме эти эпизоды длятся несколько секунд и забываются, но они видны на полисомнограмме — как выход из фазы быстрого сна или спонтанные пробуждения.

Подсчитано, что взрослый человек может покидать страну грез десятки раз за ночь, не жалуясь при этом на качество сна и не припоминая никаких пробуждений.

Какова же природа сна и при чем здесь свет?

Одной из вех в истории человечества, круто изменивших нашу жизнь, стало изобретение электричества. Томас Альва Эдисон сконструировал лампочку еще в 1879 году, однако повсеместное распространение искусственного освещения произошло не сразу. В начале XX века люди укладывались в постель с наступлением темноты и спали в среднем около 9 часов. Современный человек, вынужденный рано вставать и, предпочитая отдать как можно больше вечерних часов досугу, поздно ложиться, пребывает в объятиях Морфея куда меньше — около 7–8 часов. Как правило, всё, что мы делаем перед сном, происходит при искусственном освещении: лампы, экраны компьютеров, планшетов, смартфонов и т. д. Многие хронобиологи считают, что это плохо влияет на наше здоровье. Они связывают большинство современных недугов, в частности нарушения обмена веществ, с хроническим недосыпанием.

Сыграла свою роль в сокращении ночного отдыха и западная философская традиция, рассматривающая сон как что-то лишнее и совершенно непродуктивное. Еще Аристотель склонен был считать его бесполезным занятием. Сегодня такая позиция переродилась в культ высокой эффективности, подразумевающий максимально рациональное использование времени. Соблазн пожертвовать сном становится непреодолим — но что мы приносим на алтарь «гиперрезультативности» на самом деле?

Чтобы ответить на этот вопрос, нужно понимать, что такое сон, почему он наступает и на какие внутренние процессы оказывает влияние.

Ученые уже давно не рассматривают сон как отдых. В бытовом смысле это по-прежнему так: мы чувствуем себя усталыми, когда за всю ночь так и не сомкнули глаз, но с точки зрения нейрофизиологии сон — активный процесс. Он запускается и поддерживается определенными структурами мозга.

Сейчас считается, что нет единого вещества или иного фактора, «включающего» засыпание.

Нейрохимия сна изобилует множеством «ингредиентов», и сложный характер их взаимодействия говорит о том, что пока у нас нет стройной теории, объясняющей явление. Что-то должно подавлять структуры, обеспечивающие наше бодрствование и необходимый уровень сознания. Возникает вопрос: что запускает эти механизмы — отсутствие сигналов извне, неумолимая работа «внутренних часов» или накопившиеся за время бдения вещества?

Оказалось, что всё вместе. Главную роль играет вегетативный «штаб» нашего мозга — гипоталамус, поддерживающий обмен веществ и работу внутренних органов. В нем расположен так называемый центр сна. Но существуют и «противоположные» зоны — центры бодрствования. Наша высшая нервная деятельность, реализуемая корой головного мозга, нуждается в определенной преднастройке «снизу», от более глубоко расположенных структур. Она всегда должна быть наготове, чтобы быстро обработать сигнал и отреагировать на него действием или внутренним процессом.

Анатомически это таламокортикальные влияния. Клетки таламуса — структуры в головном мозге, релейного узла всех чувствительных сигналов, то есть наших связей с внешним миром, — постоянно стимулируют кору, как бы говоря: эй, приятель, ты здесь, в привычной реальности! Это, в свою очередь, возможно благодаря структурам, которые напоминают трехмерную сетку, оплетающую самые глубокие отделы мозга, — ретикулярной формации (лат. reticulum — «сеточка»).

Сразу после ее открытия Моруцци и Мэгуном в конце 40-х годов стало понятно, что она ответственна за уровень сознания и определяет нашу готовность к действию, за что эта структура была названа «активирующей».

Между тем в гипоталамусе есть группы клеток-руководителей с длинными и всеохватывающими «руками» — аксонами. Они выделяют вещества орексин и гистамин, регулирующие нейрохимию мозга таким образом, чтобы все возможные активирующие влияния были реализованы, — словно дирижер и первая скрипка в этом сложном оркестре. Именно их и замедляет центр сна в гипоталамусе, продуцируя главный тормозной медиатор нашей нервной системы — гамма-аминомасляную кислоту, или ГАМК, которая начинает вязать руки тем самым дирижерам бодрствования. Из-за этого сходит на нет и активирующее влияние ретикулярной формации. Мы становимся недоступны для внешних сигналов. Иначе говоря — засыпаем.

Работу сонного центра запускают многие факторы. Накопившиеся за время бодрствования вещества, например аденозин, обеспечивают так называемое давление сна. И чем дольше мы не спим, тем выше оно становится и изменяет электрическую активность мозга, усиливая медленноволновую составляющую, что делает наступление сна более вероятным в состоянии покоя и при принятии соответствующей позы.

Рецепторы аденозина способен блокировать кофеин — вот почему чашка крепкого чая или кофе подавляет сонливость, однако это вещество продолжает накапливаться, и нас «накрывает» с новой силой.

Важную роль в этом процессе играет и гормон мелатонин. Вот уж ему точно все равно, какой у вас график: фермент, регулирующий его синтез, работает циклично, увеличивая свою активность с наступлением темноты. Причем отсутствие света в дневное время не вызывает такого эффекта, и пик выработки мелатонина приходится на промежуток с 00:00 до 5:00 — чаще всего где-то на 2:00. Поэтому рекомендации для людей, вынужденных трудиться в ночную смену, гласят, что если позволяет обстановка, то примерно с часа до трех лучше все же поспать. Отсутствие сна в этот период наиболее пагубно сказывается на состоянии человека, и в работоспособности выиграть не удастся.

Избыток освещения, в том числе искусственного, подавляет образование мелатонина. Особенно коварен свет экранов: по своим свойствам он ближе к солнечному, чем к тому, что излучает электрическая лампочка. В результате, проводя слишком много времени за компьютером или с планшетом в вечерние часы, мы изменяем нейрохимию мозга в «дневную» сторону. Такой феномен получил название «синдрома Эдисона», когда человек регулярно жертвует сном ради потребления информации, и эта привычка становится хронической.

Функции мелатонина не ограничиваются регуляцией сна. Рецепторы этого вещества обнаружены буквально повсюду, от гипоталамуса и других отделов нервной системы до внутренних органов: кишечника, почек, легких.

Очевидно влияние мелатонина на многие физиологические процессы, а также установлен его онкостатический эффект — подавление опухолевого роста.

Сон имеет множество функций, которые не ограничиваются только «ночным отдыхом». Как уже было сказано, это активный процесс, и многое из того, что происходит с организмом во сне, просто невозможно в состоянии бодрствования. Совсем недавно, например, была открыта глимфатическая система, названная так потому, что, с одной стороны, выполняет функцию лимфатической — но в иных условиях, а с другой — в ее работе участвуют особые клетки — глии. В мозге отсутствуют лимфатические сосуды, а крупные белковые конгломераты и другие продукты обмена, выделяющиеся в результате жизнедеятельности нейронов, с которыми не могут справиться вены, нужно удалять. Одно из таких веществ «на выброс» — бета-амилоид, токсичный для нервной ткани белок, накапливающийся в головном мозге при болезни Альцгеймера, где, помимо нейронов, есть вспомогательные клетки — те самые глии. Астроциты — основная их разновидность — достаточно крупны в период бодрствования и снижают текучесть межклеточной жидкости. Во время медленного сна они, наоборот, сжимаются, тем самым расширяя коридоры в пространствах между клетками, спинномозговая жидкость начинает циркулировать свободнее — и вредные белки благополучно выводятся.

Сон критичен для памяти. Когда человек бодрствует, при интенсивном поступлении информации у него формируется большое количество новых синапсов, которые со временем приводят к «зашумлению» важных сигналов, но при обучении и освоении незнакомого материала или навыка без этого не обойтись.

Как же оставить главное? Нужно убрать случайное и несущественное, вычленив самую суть, квинтэссенцию опыта. Это достигается путем глобального ослабления синапсов во время сна, и наутро выживают только самые стойкие из них.

Наблюдения и опыты с лишением сна демонстрируют негативный эффект депривации в виде нарушения работы не только нервной, но и всех других систем органов. Уменьшается сопротивляемость инфекционным заболеваниям, возникают эндокринные и метаболические отклонения, снижается выработка гормона роста и, соответственно, возможность регенерации — «починки» поврежденных тканей, развивается склонность к образованию язв в желудочно-кишечном тракте.

Согласно висцеральной теории сна нашего соотечественника И. Н. Пигарева, мозг спящего человека переключается на обработку сигналов от внутренних органов, в отличие от ситуации бодрствования, когда поток информации мы получаем извне.

В числе факторов, способствующих развитию метаболического синдрома, который становится настоящей чумой XXI века, называют множество социальных и экологических явлений. Здесь и изменение стиля питания (популярность фастфуда), и уменьшение двигательной активности, и сам состав рафинированной пищи… Указанный синдром проявляется в таких участившихся в последние годы заболеваниях, как артериальная гипертензия, ожирение, сахарный диабет, нарушение липидного обмена. В совокупности все это неизбежно приводит к сосудистым катастрофам: инфаркту миокарда или инсульту, — которые, согласно медицинской статистике, являются наиболее частыми причинами смерти и инвалидизации в современном мире. Так что борьба с метаболическим синдромом и понимание механизмов его развития — немаловажная задача. Можно ли считать простым совпадением, что эта страшная тенденция возникла одновременно со всеобщим сокращением времени сна? Едва ли. И связь недосыпа как минимум с одним из симптомов метаболического синдрома — ожирением — уже доказана.

Была установлена прямая зависимость индекса массы тела от количества сна.

Наш аппетит достаточно коварен и может усиливаться не только в ситуациях, когда существует объективная потребность в пище. К главным его регуляторам относятся грелин, гормон голода, и лептин — вещество, вызывающее чувство насыщения. Во сне выработка первого из них подавляется, а концентрация второго, наоборот, повышена, и это объяснимо: все настроено таким образом, чтобы по ночам нас не будил голод. У невыспавшегося человека содержание лептина в крови понижено и реакция на него центральных структур притуплена, а уровень грелина, напротив, растет, что приводит к хроническому перееданию. Учитывая доступность еды в развитых странах, эпидемия ожирения закономерна, а набор лишнего веса, в свою очередь, неизбежно влечет за собой другие симптомы метаболического синдрома, прежде всего — сахарный диабет.

Звучит пугающе, но сказанное не должно удручать хотя бы потому, что всё в наших руках. Вовремя выключите компьютер, отложите в сторону телефон и посвятите эти вечерние часы тому, что совершенно точно пойдет вам на пользу. Приятных снов!