Наука сна: часть 1

http://overthebrainbow.com/blog/2018/2/12/the-science-of-sleep
  • Перевод

В этом посте я поделюсь информацией о своём предмете обожания. О том, чем я могу заниматься в любое время, в любом месте и в любом количестве. О том, что я предпочла бы бриллиантам и ресторанам из списка Мишлен. Н-+да, конец этой шутки был бы более смешным, если бы заголовок не раскрыл подробности того, что я буду рассказывать о сне. Ну да ладно.

Сон, насколько необходимый, настолько и загадочный, до сих пор ставит учёных в тупик – а они исследуют его уже десятилетия (а спят люди уже многие тысячи лет). Что конкретно происходит во сне? Зачем мы спим? Можно ли перестать спать? Что тогда случится? Заинтересовались? Тогда читайте дальше, и вы узнаете, насколько близко мы подошли к ответам на эти вопросы.

1. Теоретические основы: что и как устроено в области дрёмы


Все слышали про фазу быстрого сна (REM-фазу): либо из-за её связи со снами, либо из-за её важности для человека, либо просто потому, что вам понравилась песня "Losing My Religion". Но сон – это нечто большее: он содержит ещё три других фазы с разными характеристиками и функциями (и с разными вероятностями того, что вы рассердитесь, когда вас разбудят на этом этапе).



1-я фаза сна, N1 – фаза дремоты, в которой вы переключаетесь между бодрствованием и сном. Ваши мускулы ещё не до конца расслаблены и вы можете испытать ощущение падения – внезапное сокращение мускулов, миоклонический рывок (некоторые учёные предположили, что оно может проистекать из мозга наших предков-приматов, и путать расслабление мускулов с падением с дерева). Кроме того, происходит изменение мозговых волн, синхронных электрических импульсов, появляющихся из-за общения друг с другом огромного количества нейронов (см. рис. 1 для визуализации всех возможных мозговых волн). В состоянии бодрствования ваш мозг выдаёт множество волн, называющихся бета и гамма. Они достаточно резко дёргаются и имеют высокую частоту, и либо связаны с концентрацией (бета), либо, как считается, играют роль в создании сознания (гамма). В этой, первой фазе сна, ваш мозг начинает выдавать вместо бета и гамма-волн более медленные и синхронные альфа-волны (их связывают с расслаблением и умиротворением), и даже ещё более медленные тета-волны (их связывают с глубоким расслаблением и дремотой) – то есть, замедляется. Эта фаза длится от 1 до 10 минут.


Рис. 1: краткое введение в волны, появляющиеся у вас в голове

2-я фаза сна, N2. В этой фазе ваше сознание уже отключилось. Пульс и дыхание замедляются, температура уменьшается, вы готовитесь к тому, чтобы войти в глубокий сон, тета-волны всё ещё ярко выражены. Эта фаза вместе с предыдущей составляет то, что называют «неглубоким сном». Большую часть ночи (порядка 45%) мы проводим в этой фазе. Из неглубокого сна просыпаться лучше всего, вы будете чувствовать себя не разбитым или дезориентированным, а освежившимся и готовым к новому дню.

3-я фаза сна, N3. Вот тут всё серьёзно: это фаза глубокого сна. Её также называют фазой медленных волн, поскольку – как вы догадались – мозговые волны замедляются и становятся крупнее. Теперь правят бал дельта-волны, самые медленные из всех, на которые способен ваш мозг. Вы не реагируете на окружающие звуки, вам сложно проснуться, и ваши мускулы полностью расслаблены. Эта фаза сна называется восстановительной, поскольку ваши ткани восстанавливаются, энергия возобновляется, почки очищают кровь – ну, вы поняли. Если вы проснётесь во время глубокого сна, то окажетесь в таком состоянии (научно доказанный факт):



REM-фаза + сонный паралич: сны, наверно, самые интересные особенности сна, в основном приходят на этом этапе, и бывают яркими и сложными. Определяющее свойство – случайное и быстрое движение глаз из стороны в сторону. Назначение этих движений пока ещё не полностью понятно (а что в нейробиологии полностью понятно?), среди теорий – сканирование тех сцен, что мы видим во сне, а также формирование памяти (поговорим об этих функциях сна позже). Ваше кровяное давление и дыхание поднимаются почти до уровня бодрствования, этот же уровень напоминают и мозговые волны – присутствует даже большое количество бета-волн! Из-за всех этих странностей REM-фаза заслужила название «парадоксального сна». Страшновато, но стоит знать, что ваши мускулы в этот момент полностью парализованы – нейротрансмиттеры GABA и глицин предотвращают поступление мозговых сигналов к мускулам и защищают вас от того, чтобы вы реагировали на сон и, возможно, навредили бы себе. Получается, что, по сути, вы просто лежите полностью парализованным, пока ваши глаза неконтролируемо мечутся туда и сюда. Прелестно. Учёные считают, что когда переход к REM-фазе и выход из неё не проходят гладко, это может привести к сонному параличу – пугающему состоянию, когда к вам вернулось сознание, но вы ещё не можете двигаться. В этом промежуточном состоянии между бодрствованием и яркими снами люди часто рассказывают о том, как видят всякие кошмары, которые обычно можно разделить на такие категории, как инкубы (человек ощущает давление на грудь и испытывает трудности с дыханием, и может воспринимать это так, что у него на груди сидит некий демон), незваные гости (человек ощущает нежелательное присутствие некоего страшного существа) и ощущение выхода из тела. Это объясняет множество рассказов о паранормальных явлениях и похищениях инопланетянами (прости, агент Малдер!) Примерно 7,6% от всех людей страдает сонным параличом, причём среди студентов эта доля довольно сильно увеличена, до 28%.

В течение средней ночи человек обычно проходит несколько циклов сна (каждый из которых длится около 90 минут), причём ближе к утру REM-фазы учащаются.


Краткий обзор происходящего ночью. Можно видеть, что в начале ночи преобладает фаза медленных волн, а во второй половине периода сна начинает преобладать REM-фаза.

2. Как мозг засыпает?


Невозможно определить точный момент засыпания. В один момент вы всё ещё раздумываете над тем тупым поступком, что сделали пять лет назад, а в другой вы уже скользите по направлению ко второй фазе сна. Так что происходит в мозге во время засыпания?

В глубине вашего мозга есть такая крохотная штучка, как супрахиазматическое ядро (СХЯ), управляющая нашим 24-часовым циклом сон-бодрствование. Оно получает напрямую от глаз информацию о количестве света в том месте, где вы находитесь. Оно использует эту информацию для обнуления ваших внутренних часов с целью соответствия нормальному циклу день-ночь. Внутренние часы соответственно регулируют множество функций тела – температуру, выход гормонов, и то, что интересует нас сейчас – сон и бодрствование. Интересно, что даже при полном отсутствии света наши внутренние часы работают примерно с 24-часовым ритмом. Было обнаружено, что это возможно благодаря циклической активности определённых генов (сообразно названных "часовыми генами"). Эти гены выдают разные уровни различных «часовых белков» в зависимости от времени дня – а эти белки уже регулируют дневные ритмы (температуру тела, выработку мелатонина, концентрацию внимания и т.п.)

СХЯ сложным образом связано с – приготовьтесь к очередному длинному названию — вентролатеральным ядром зрительного бугра (ВЛЯ) – структурой, остающейся активной во время сна. Считается, что эти связи активируют ВЛЯ и способствуют началу сна – поскольку во время активации нейронов ВЛЯ они выпускают тормозящие химические вещества (GABA и галанин), которые в свою очередь подавляют нашу пробуждающую систему. Вот так, через длинную цепь инстанций, выключатель поворачивается и ваше бодрствующее состояния медленно нисходит до нуля. Нейроны ВЛЯ также могут быть активированы химикатом под названием аденозин. Аденозин постепенно накапливается в течение дня в результате распада гликогена, хранящего энергию в теле, и после того, как его наберётся достаточно, он начинает повышать усталость и подталкивать вас к отдыху. Это называется гомеостатической регуляцией, во время которой мозг пытается балансировать усталость отдыхом.


Краткий обзор цепочки инстанций

Ещё одно химическое соединение, имеющее отношение к сну, можно найти в качестве БАДа в супермаркете [в США / прим. перев.]: мелатонин. Он производится шишковидным телом, и его производство, как и множества других веществ, регулируется циркадными ритмами. Когда солнце садится, СХЯ даёт шишковидному телу команду начать производство мелатонина (чьё наличие в организме в течение дня едва прослеживается), он попадает в кровоток и вызывает сон. Недавно учёные предупреждали нас о вреде использования смартфонов, телевизоров и других излучающих свет устройств перед сном, поскольку они нарушают наши уровни мелатонина. В свете электронных устройств концентрация голубого компонента гораздо сильнее, чем в естественном, и этот предательский голубой свет подавляет выработку мелатонина сильнее, чем свет любой другой частоты. Он сбивает с толку цикл сон-бодрствование и может привести к ухудшению качества и количества сна, поскольку мозг начинает путаться с тем, какое сейчас время суток. Поэтому сделайте себе одолжение и почитайте перед сном книжку. Или займитесь медитацией. Или сексом. Чем угодно, без голубого света.


Сравнение пониженной выработки мелатонина из-за яркого света (кружки) и повышенной выработки при ношении очков, блокирующих голубой свет (белые треугольники), а также нормальной выработки мелатонина при тусклом свете (чёрные треугольники)

3. Почему мы спим, и чем важен сон?


Очень хороший вопрос. К сожалению, определённого ответа на него нет. Как сказал Уильям Демент, основатель Стэнфордского центра исследований сна: «Насколько я знаю, единственная очень, очень веская причина, по которой нам нужно спать, заключается в том, что мы становимся сонными». Поэтому давайте просто посмотрим на то, что нам уже известно (кроме этой крупицы мудрости).

Память


О существовании романтических отношений между сном и консолидацией памяти (то есть, её стабилизацией) учёные подозревали давно, и в последние десятилетия, если не столетия, было проведено множество исследований, подкрепивших это мнение (но ни одно из них не было полностью убедительным). Есть различие между двумя типами памяти: декларативной (об информации, основанной на фактах, отвечающей на вопрос «что?») и процедурной (отвечающей на вопрос «как?», например, мускульная память об управлении велосипедом или игре на гитаре). Было бы очень удобно, если бы у нас было чёткое различие вроде «сон с медленными волнами отвечает за это, а REM-фаза отвечает за то», но, к сожалению, в реальности всё перемешано.

Обычно сон помогает работе памяти: люди, спавшие после того, как что-то выучат, обычно вспоминают новую информацию лучше, чем те, кто не спал после обучения. Изучение списков слов, сложных движений пальцами или даже распутывание сложных спрятанных закономерностей – всё это выигрывало от наличия сна после процесса обучения.

Есть теории, что сон с медленными волнами (СМВ), преобладающий в первую часть ночи, особенно помогает консолидировать декларативную память. Считается, что стабилизация новоприобретённых воспоминаний происходит через их реактивацию в гиппокампе, нашем центре памяти, во время сна. «Заново проигрывая» воспоминания, мозг стабилизирует их следы, благодаря чему вероятность их утери уменьшается. В одном исследовании обнаружили, что если изучить что-то новое, вдыхая запах розы, а затем этот запах подать спящему во время СМВ, активность его гиппокампа увеличивается, а память на следующий день закрепляется сильнее. Так что:

  1. Во время СМВ происходит усиление реактивации гиппокампа.
  2. Улучшается память.
  3. ???
  4. Profit!



REM-фазу, с другой стороны, связали с процедурной памятью, чья консолидация не зависит от гиппокампа (а больше зависит от повторения команд на движение в частях мозга, занятых управлением мускулами – мозжечке, базальных ганглиях и моторной коре). По поводу точных механизмов консолидации такого типа памяти пока мало что известно, поэтому этот параграф будет коротким. Однако, существуют исследования, не согласные с таким чётким разделением (научно говоря, возражающие гипотезе дуального процесса). К примеру, было показано, что СМВ-сон может помочь консолидировать двигательную (= процедурную) память, а REM-фаза играет определённую роль в стабилизации воспоминаний о событиях и фактах. Судя по всему, не такое уж и чёткое разделение обязанностей. Это говорит о том, что обе фазы важны для обоих типов памяти (такая теория называется «последовательной гипотезой»): они не соревнуются друг с другом, а дополняют друг друга. Просто так получается, что одна фаза (СМВ) может вносить больший вклад в один тип памяти (декларативный), и наоборот.

Но на этом, конечно, история не заканчивается. Есть – внезапно! – ещё одна теория, пытающаяся описать консолидацию памяти. Она называется «синаптическим гомеостазом» и, по сути, утверждает, что в то время, когда вы бодрствуете и приобретаете новые воспоминания и опыт, связи между клетками вашего мозга (синапсы) усиливаются (и создаются новые), и что когда вы спите, мозг пытается низвести это огромное дневное увеличение до разумного уровня, устранив ненужные синапсы. Так что, можно сказать, что мы спим, чтобы забыть – и поднять уровень сигнала над уровнем шума, начав новый день освежёнными и готовыми к новому обучению. Ненужные связи и случайные воспоминания удаляются, а важные усиливаются через повторение. Недавнее исследование нашло прямое визуальное доказательство этой гипотезы: исследователи, использовав микроскопию высокого разрешения, сначала определили размеры и форму 6920 синапсов, а потом показали, что после нескольких часов сна 80% синапсов уменьшились примерно на 18%.


Крупные синапсы бодрствующей мыши и сжавшиеся синапсы немного поспавшей мыши.

Конечно же, правильного ответа не существует – истина находится где-то посередине, и все эти теории объясняют лишь часть происходящего. Но теперь вы подумаете дважды перед тем, как решить учиться всю ночь перед экзаменом; напрягаясь и закидываясь энергетиком, вы не заставите мозг запомнить информацию лучше – но это могут сделать несколько часов сна.

Ведение домашнего хозяйства


Ещё одна предполагаемая функция сна — ведение домашнего хозяйства. Пока вы спите, мозг натягивает форму уборщика и отправляется на очистку всего накопившегося там во время дневных размышлений мусора. В нескольких исследованиях на мышах исследователи обнаружили систему, устраняющую отходы работы мозга из него во время сна. За это отвечает мозговой аналог лимфатической системы, сеть крохотных канальцев, вымывающих побочные отходы при помощи спинномозговой жидкости. Учёные назвали его "глимфатической системой", потому что она работает, как лимфатическая система, но при помощи вспомогательных клеток мозга, глий. Когда мыши заснули, эта система включилась на полную катушку (во время бодрствования её активность составляет всего 5% от потока во сне!) и клетки мозга даже немного сжались в размерах, чтобы место вокруг них легче было очищать. Удаляемые побочные продукты деятельности включают в себя такие белки, как бета-амилоиды – злодеев, стоящих за болезнью Альцгеймера (во время сна их в два раза быстрее вымывает, чем во время бодрствования!) – и другие вещества, связанные с нейродегеративными заболеваниями. Так что если вдруг захотите всю ночь проработать, задумайтесь обо всех этих токсинах, накапливающихся в вашем мозге, и вместо ночи работы поспите хотя бы пару часиков.

В общем, хотя пока ещё не полностью понятно, почему мы проводим треть нашей жизни во сне, у нас уже есть довольно неплохие ориентиры.

Во второй части статьи я раскрою удивительную информацию о снах, о том, что может нарушить сон, и дам немного советов по поводу оптимальной организации сна. Не переключайтесь.
Поделиться публикацией
Комментарии 24
    0
    Очень познавательно, с учетом того, что хочется разобраться в проблемах своего сна — часто, а в некоторые ночи так и каждые полтора часа, в фазе неглубокого сна — полностью просыпаюсь. В результате четко и во всех деталях помню все свои сны, до кучи к остальному. Немного утомляет, будто всю ночь кино смотрел, по 3-4 фильма за ночь. Слава богу хоть сны интересные и, главное, разнообразные. Обычные невропатологи из поликлиники помочь не могут, а специалиста-сомнолога в досягаемости нету. Придется, как обычно, самому разбираться. Да и ладно, нам, сисадминам, не привыкать :)
      +1
      Немного утомляет, будто всю ночь кино смотрел, по 3-4 фильма за ночь. Слава богу хоть сны интересные и, главное, разнообразные.
      Не подумайте, что издеваюсь. Записывать пробовали их? А потом книжку издать. Или сценарии писать.
        0
        Мало стоящего :) 90% — вариации альтернативной жизни, обычная бытовуха, но в каких-то других обстоятельствах или местах, еще 9,9% — вариации просмотренного или прочитанного, впрочем, иногда стоящие бывают истории по мотивам кино или книг. Оставшиеся 0,1% оригинальных историй, на первый взгляд не связанных с реальностью — иногда бывают довольно забавными в смысле сюжета, но в основном только сразу как проснулся, попытки связно пересказать сюжет приводят к пониманию либо банальности, либо бредовости. Но считанные разы случались такие, что реально жалел что не записал — сюжеты или хотя бы основные идеи были вполне годными. Увы, понимаю, что вытянуть их хотя бы до рассказика не хватит опыта, а вот лени предостаточно.
          0
          То что интересно одному, не всегда интересно другому.

          Опять же нужно уметь писать, и хотеть это делать.

          Обычно записи снов скучны и не интересны без контекста жизни и ее ситуаций. Иначе говоря, то что кажется крутым и интересным для вас не означает что этим будут восхищаться другие люди.
            0
            Хех, у меня одно время были похожие нарушения сна как у lobzanoff. Это было одновременно и интересно и… утомительно — не смотря на то, что в те дни спал по многу, но полноценно так и не отдыхал.

            Записывать особо желания не было, т.к. обычно каждый сон не связан с другими предыдущими и получаются просто обрывки. Но в какой-то момент накрыло длинной серией ярких и детальных снов не совсем с общим сюжетом, но из одного «сеттинга» (мира), которые выглядели как части одного большого целого. Правда не в виде цельного последовательного повествования (которое достаточно просто записать), а скорее случайно выхватываемых кусков, но относящихся к одной общей картине.

            Почти сразу начал их записывать. Тем более они в отличии от обычных снов не хотели быстро забываться, а потом долго крутились в памяти достаточно навязчиво напоминая о себе — но оказалось если записать их в виде текста, они уходили в фон или забывались совсем.
            В какой-то момент понял, что из этих кусков можно собрать целую книгу и… начал писать книгу (жанр ~фэнтези). Хотя никогда раньше художественной литературы (хотя бы рассказов) не писал, не планировал писать, да в общем-то и не умею писать. Разве что небольшие технические или научно-популярные тексты, но не «беллистристику».

            Написал довольно много — килобайт на 150 чистого текста без форматирования (т.е. ~ 150 тыс. знаков и пробелов) причем за короткое время — основную часть за 1.5 недели примерно.

            Но потом в самом разгаре работы подобные сны просто прекратились. Ну не совсем исчезли, хотя на какое-то время ичезсли совсем. А позже вернулись к обычном режиму — один, максимум 2 сна за ночь (причем не каждую) и каждый следующий не связан с другими и обычно довольно простым сюжетом.

            В результате книга таки остается уже примерно 2 года не дописанной. Т.к. писать «из головы» (просто придумывать) хорошо я не умею — с трудом дописал еще несколько глав, но в разы медленнее и без особого интереса.
            А «кино» больше «не показывают».
            0
            Любопытно, но бывает после пробуждения от яркого сна, первые несколько секунд помнишь его очень четко, но стоит сконцентрироваться и начать его рассказывать, как вся четкость уходит и остается только ощущение четкости и понятности всего сна.
              0
              Ох, а я уже и позабыла когда последний раз сны видела. Буквально закрываешь глаза, потом «хлоп» и уже утро. Интересно можно это как то поправить?
                +1
                Обычно достаточно просто побольше спать если образ жизни позволяет. Сон в виде «лег — выключился, зазвонил будильник — включился» обычно говорит о недостатке ночного отдыха.

                Как вариант если не позволяет — прочитать про трекеры сна и «умные» будильники учитывающие фазы сна и по возможности старающиеся разбудить именно в момент REM фазы (ближе к ее концу), но не позже заданного времени.

                Т.к. сны снятся почти всем и почти всегда, но в большинстве случаев просто совсем не запоминаются (не доходят до сознания). При пробуждении в любой фазе кроме REM обычно люди снов совсем не помнят и из-за этого считают что их и не было.

                Бонусом помимо снов обычно идет более легкое просыпание и лучшее настроение утром после пробуждения как и сказано в статье. Даже если общая продолжительность в результате оказалась чуть меньше — лучше встать в конце REM фазы на 15-30 минут раньше, чем после начала глубокой фазы сна из следующего цикла.
                0
                Не сочтите за сарказм или придирки, но с чего вы решили, что ВСЕ свои сны запоминаете? Я подозреваю, что вижу много снов, но большинство просто не помню, а жаль… :(
                  0
                  Я вроде не говорю, что ВСЕ. Вот минимум по 1 сну в каждом полуторачасовом цикле — да, в той или иной степени.
                  0
                  Наверное, сны слишком яркие и вызывают слишком сильные эмоции, потому и просыпаетесь. Может быть, в жизни слишком много эмоций и стоит попробовать это исправить, хотя бы за час-два до сна, помедитировать, например.
                  0
                  Просыпаемся то мы по будильнику, а этой сволочи все равно, какая у нас фаза сна.
                  Напрашивается разработка очередного смарт-будильника, который отслеживает фазы и ловит вторую в заданный для побудки промежуток времени.
                  Лучше поспать на полчаса меньше, проснуться в правильной фазе, чем все утро ходить с квадратной головой.
                    0
                    дел.
                      0
                      У меня в Samsung Galaxy R (это разновидность S2) встроенный будильник был с функцией пробуждения в нужной фазе. Его надо только было класть рядом с собой на постель. Он через датчики якобы определяет движение человека и вычисляет его фазу сна. В принципе работало.
                        0
                        www.google.ru/search?q=sleep+tracker
                        Не благодарите :-)
                          0
                          ЧТо то я отстал от жизни. Точнее выпал в паралельную ветку Вселенной.
                          Все равно спасибо.
                          Браслет покупать жаба давит, попробую прогу на тело. Может и с храпом поможет, пока жена не придушила.
                            0
                            Плюс браслета как раз в том, что он отслеживает (по крайней мере, может отслеживать) только твои фазы, а не всех, кто находится в одной кровати.
                          0
                          Проще и полезнее научиться просыпаться в нужное время без будильника.
                          Это не сложно, стоит только попробовать.
                          0
                          А о 24-х часовом цикле єто точная информация? Ибо я в молодости где-то читал (сейчас не найду естственно), что французьі или швейцарцьі с целью вьіяснить цикл забрались в пещеру без дневного света, без часов, без каких-либо раздражителей (транспорт, люди, радио) сверху, просидели там пару месяцев и цикл сон-бодрствование у них стабилизировался на 40 часах.
                            0

                            К этим исследованиям много претензий. Образ жизни подопытных во многих отношениях нельзя навать нормальным. Не так просто (или невозможно) сохранить нормальную активность человека исключив только дневной свет. Т.е. чистота эксперимента под вопросм. Вот например из "тутошней" статьи:


                            Аденозин постепенно накапливается во время дна в результате распада гликогена, хранящего энергию в теле, и после того, как его наберётся достаточно, он начинает повышать усталость и подталкивать вас к отдыху. Это называется гомеостатической регуляцией, во время которой мозг пытается балансировать усталость отдыхом.

                            Как они утомлялись в изолированной пещере без раздражителей? Таймер таймером, но сон это в значительной степени ответная реакция организма и зависит от многих факторов, не только от света. А значит и не "работает" строго по расписанию.

                              0
                              В том (и даже не одном) эксперименте нормальные сутки получились часов 25-26, насколько я помню.
                              0
                              >Интересно, что даже при полном отсутствии света наши внутренние часы работают примерно с 24-часовым ритмом.
                              на самом деле это совсем не так. когда люди живут неделю и больше без света — сутки увеличиваются (на собственном примере — раньше занимался спелеологией, мы жили неделю и более под землей). При чем ближе к концу экспедиции сутки составляют 32-36 часов. Без часов угадать какое время суток «наверху» — невозможно.
                                0

                                Вторая часть вышла 2 апреля… Переведёте?

                                  Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                  Самое читаемое