Не только для отдыха: зачем мы спим
Сон — явление обыденное и вместе с тем загадочное. Мы проводим во сне треть жизни, толком не зная, зачем он нужен. Для ученых сон тоже не до конца решенная загадка, несмотря на тысячи проведенных исследований и экспериментов. Но кое-что важное они все-таки выяснили.
Сон нужен, чтобы отдохнуть, — это ясно каждому ребенку. В общем-то, эта незамысловатая теория устраивала и ученых, пока не изобрели электроэнцефалограф, — и тут выяснилось, что мозг во сне и не думает отдыхать, он всегда работает на полную мощность!
Почему же мы тогда проводим по многу часов замерев, а потом встаем бодрыми и полными сил? Может, просто чтобы не шастать в темноте, натыкаясь на предметы и ночных хищников? Но сон — опасное состояние. Он делает вас уязвимым, отнимает время, которое можно было бы потратить на добывание ресурсов, спаривание или уход за потомством. Тем не менее все животные с нервной системой спят, даже самые примитивные замирают в «сноподобном состоянии», а значит, сон должен выполнять какую-то фундаментальную биологическую функцию.
Сон древнее мозга
Уже выходили исследования, показавшие, что спят даже животные, не обладающие мозгом, — например, брюхоногие моллюски. Внешние признаки сна находили даже у медуз, обладающих простейшей нервной системой без всякого центра, а ведь медузы гораздо древнее большинства животных — им больше 600 млн лет. Получается, сон — состояние очень древнее, он старше мозга!
«Есть убедительные доказательства того, что сон возник вместе с нейронами, — говорит нейробиолог из Стэнфорда Рави Нат, в 2017 году обнаруживший у медуз сноподобное состояние. — Вероятно, существует основная функция сна, но каждый вид также адаптировал сон к своим собственным потребностям».
Новое исследование впервые подробно описывает режим сна медуз и актиний (тоже древних существ без мозга, из класса коралловых полипов). Медуза с красивым именем кассиопея андромеда спит, как и мы, примерно восемь часов в сутки, в основном ночью, но немного и в полдень. Актиния Nematostella vectensis тоже спит около трети суток.
А теперь о главном. В экспериментах на обоих видах неизменно обнаруживалось, что повреждение ДНК в нейронах увеличивалось во время бодрствования и уменьшалось во время сна. А когда исследователи вызывали повреждение ДНК с помощью ультрафиолетового излучения, медузы с актиниями реагировали увеличением продолжительности сна. Исследователи пришли к выводу, что во время бодрствования повреждение ДНК происходит быстрее, чем восстановление, а сон — это специальный период для восстановления ДНК. Получается, это и есть та самая основная, базовая функция сна? Но, как бы то ни было, она не единственная — сотни миллионов лет эволюции добавили сну и другие важнейшие функции.
Время тотального ремонта
Мы не можем жить без сна, как и другие животные. Сон важнее для выживания, чем пища! Это доказали экспериментально еще в конце XIX века (сейчас подобные эксперименты не дали бы провести зоозащитники и университетские этические комитеты — и правильно бы сделали). Если не давать животным спать, они погибают через несколько дней, а если не давать им еды, но не ограничивать сон, они могут прожить до месяца.
Отчего же погибали животные, лишенные сна? Нет, не от смертельной усталости, а от множественных патологий внутренних органов — в их организме начинало ломаться все подряд. Любая теория, объясняющая, зачем нужен сон, должна объяснять прежде всего это явление.
Такую теорию предложил биолог Иван Пигарев, посвятивший всю свою научную жизнь ее экспериментальной проверке. Висцеральная теория сна, как назвал ее Пигарев, утверждает, что во время медленного сна мозг «прозванивает» внутренние органы, проверяет их работу, пытается починить неисправности. Участки коры мозга, которые во время бодрствования отвечают за обработку информации, поступающей от органов чувств (зрение, слух, осязание, обоняние, мышечная чувствительность), переключаются на работу с внутренней средой организма. Мозг отключается от внешней среды, чтобы привести в порядок внутренние органы.
«Во время сна сенсорные участки коры мозга меняют функцию и начинают обрабатывать информацию от внутренних органов, — рассказывает Пигарев. — Например, мы вводили в желудок спящей кошки теплую воду и анализировали активность нейронов коры ее мозга. Оказалось, что изменение внутрижелудочной среды меняло нейронную активность в зрительных зонах коры спящей кошки!
Очень важные результаты были получены нами при исследовании спинного мозга, по которому информация от внутренних органов может проходить в кору мозга во время сна. Многочисленные исследования показывали, что эти проводящие волокна оканчиваются на тех же самых нейронах коры мозга, что и проводящие волокна от мышц и кожи, передающие информацию, нужную для организации активного поведения в бодрствовании. Но каким образом мозг различает информацию, поступающую от разных систем по одним и тем же волокнам?
Висцеральная теория предлагает очень простое решение: эти два потока сигналов никогда не идут одновременно. В бодрствовании проводящие пути задействованы только для передачи информации, нужной для организации поведения и движений. А во время сна эти же самые проводящие пути переключаются на передачу сигналов от внутренних органов в те же самые отделы мозга. Чтобы доказать это, мы имплантировали в спинной мозг кролика миниатюрные электроды, регистрирующие нейронную активность. Оказалось, в состоянии глубокого сна проводящие пути спинного мозга работали ничуть не меньше, чем во время активных движений!»
Генеральная уборка для мозга
Эксперименты Пигарева убедительны, но и они касаются не всех функций сна. Например, сон требуется и самому мозгу — недаром в результате лишения сна ухудшаются умственные способности, ослабевает внимание, увеличивается время реакции.
В головном мозге между клетками есть заполненное межклеточной жидкостью пространство. Исследования нескольких научных групп показали, что во время сна клетки мозга как бы сжимаются, выдавливая из себя через поры часть жидкости, и межклеточное пространство превращается в активно работающую систему каналов, которая занимает до 20–25% объема всего мозга — очень много! Оказалось, сон — это время уборки. Когда мы бодрствуем, токсичные молекулы накапливаются в узких каналах. А когда засыпаем, происходит обратный процесс: межклеточные каналы расширяются и жидкость уносит весь мусор из мозга в спинномозговую жидкость, а затем токсины дезактивируются в печени и почках.
То есть сон — время тотального ремонта: и внутренние органы чинятся, и ДНК штопается, и мозг от мусора очищается. Но и это не исчерпывает функций сна: в этом тексте мы не касаемся другой большой темы — важности сна и сновидений для нашей психики, их роли в душевной жизни. Зачем снятся сны, обсудим в другой раз.