Хроники ночного нейроинженера: что на самом деле происходит с мозгом во время сна
Сон — отнюдь не пассивный процесс, направленный на отдых и перезарядку тела и разума. Клетки организма, в том числе и нейроны, способны работать не переставая многие десятилетия и не нуждаются во временном выключении или перезагрузке. Более того, в период быстрого сна (фаза REM — быстрых движений глаз) мозговая активность напоминает состояние бодрствования — повышается артериальное давление, учащаются пульс и дыхание. Из-за этого фазу быстрого сна еще называют парадоксальной, она сопровождается сновидениями, и, по сути, во сне мозг генерирует некую виртуальную реальность. Зачастую эти картины похожи на окружающий нас мир, а порой совершенно чужды и непонятны. Мы склонны быстро забывать свои сновидения, как будто существует специальный алгоритм для стирания их из памяти. Однако, по последним данным, сны возникают не только в фазу REM, просто в этот период частота сновидений в несколько раз выше, чем во время медленного сна.
Сон — техосмотр, ремонт и обновление мозга
Сон необходим организму не только и не столько для отдыха. Наоборот, это процесс диагностики и ремонта всех органов и систем, утверждает висцеральная теория сна, основоположником которой был отечественный физиолог Иван Пигарев. Во время сна кора переключается с обработки информации от органов зрения, слуха, обоняния и осязания на регуляцию работы внутренних органов — печени, почек, кишечника и других систем жизнеобеспечения. С точки зрения этой теории, кора больших полушарий предназначена не только для обработки внешней информации, а скорее является универсальным вычислительным центром любых поступающих сигналов.
Мозг на протяжении всей нашей жизни претерпевает реорганизацию своей структуры. Вырастают новые синапсы (соединения между нейронами. — Forbes Life) и отмирают старые, этот процесс называется нейропластичностью. Именно благодаря нейропластичности мы способны адаптироваться к изменяющимся условиям и решать новые задачи. Американская группа исследователей в 2020 году установила, что фазы быстрого и медленного сна оказывают разные эффекты на мозг. Согласно предложенной ими модели, быстрый сон ответственен за реорганизацию мозга и способность к обучению, что особенно выражено на ранних стадиях развития организма ребенка. Сон же медленный обеспечивает восстановление нейронной сети. В 2,5 года у ребенка наступает переломный возраст, когда процессы роста и реконструкции мозга перестают доминировать, и восстановление начинает преобладать над созиданием.
Во сне небольшие колебания концентрации норадреналина, происходящие примерно каждые 50 секунд, вызывают пульсацию сосудов специальной глимфатической системы, которая очищает мозг от накопившихся продуктов его жизнедеятельности. Если же для засыпания используется снотворное (в эксперименте это был золпидем), то уровень норадреналина падает наполовину, а отток жидкости из мозга снижается на треть. И как тут не вспомнить поговорку старых врачей, что сон на снотворных — это сон на костылях.
Существует множество концепций информационно-биологической функции сна. Так, теория решения проблемы утверждает, что во сне осуществляется осмысление и решение задач, с которыми человек сталкивается в течение дня. А теория обратного обучения предполагает, что во время сна стирается избыточная и ненужная информация. Фрэнсис Крик и Грэм Митчисон считают, что функция быстрого сна заключается в устранении нерелевантных моделей взаимодействия клеток в нейронной сети. Они охарактеризовали этот процесс как unlearning, то есть забывание несущественной для мозга информации, в то время как важные воспоминания за счет устранения «шума» еще более усиливаются. Джулио Тонони и Кьяра Чирелли из Университета Висконсин в Мадисоне полагают, что сон — это процесс, вызывающий ослабление связей между нейронами для обеспечения более эффективного получения и переработки новой информации. Возможно, именно во время сна происходит процесс переноса информации из кратковременной памяти в долговременную или происходит пересортировка и пересмотр данных, хранящихся в памяти.
Сон, по-видимому, действительно необходим для устойчивого запоминания информации и ее переработки, и наше обучение продолжается ночью в автономном режиме. Подтвердить это предположение было бы проще, когда функция памяти уже снижена. Это и сделала Кармен Вестерберг из Северо-Западного Университета штата Иллинойс. Она установила связь между плохим сном и снижением способности к запоминанию информации у пациентов с умеренными амнестическими когнитивными нарушениями при болезни Альцгеймера. Конечно, мы еще далеки от разгадки биологического смысла сна, но уже точно знаем, что он необходим человеку не только для того, чтобы оставаться бодрым и обновленным, но и для укрепления воспоминаний и навыков, первоначально приобретенных во время бодрствования.
Сновидения — виртуальная реальность сна
На сегодняшний день считается, что сон присущ всем живым организмам, имеющим нервную систему, даже такую простую, как у медуз или червей. В своем анализе Кьяра Чирелли и Джулио Тонони опровергают ранее присутствующие воззрения о неспящих организмах. Они отмечают, что сон присутствует и строго регулируется у всех видов животных, которые были тщательно изучены. Ученые полагают, что нет четких доказательств существования биологического вида, который не спит.
А вот сновидения — это удел существ, стоящих на верхних ступенях эволюционной лестницы, — млекопитающих и птиц. Рыбы, амфибии и рептилии не видят сны. По крайней мере, доказать наличие сновидений у этих классов живых организмов пока не удалось. Однако недавно ученые заподозрили наличие сновидений у пауков. Им удалось установить, что у этой группы живых существ, с которой млекопитающие в ходе эволюции разошлись сотни миллионов лет назад, есть фаза быстрого сна. У пауков во сне фиксировали движения глаз, наблюдали сгибание конечностей, подергивание брюшка и паутинных бородавок.
Долгое время большинство ученых придерживались мнения о том, что сновидения представляют собой бессмысленный набор не имеющих смысла фантастических образов. Наиболее фундаментальная нейрофизиологическая теория, получившая название «активации-синтеза», была разработана в 1977 году психиатрами из Гарвардского университета Хобсоном и Маккарли. И она, казалось бы, положила конец психоаналитической концепции снов Зигмунда Фрейда. Согласно американским ученым, сновидения — это бессмысленные видеодемонстрации, которые возникают в префронтальной зоне коры головного мозга в ответ на беспорядочные импульсы, посылаемые в состоянии сна подкорковыми структурами. Однако спустя несколько лет Хобсон изменил свое мнение, полагая, что активация некоторых отделов лимбической системы влияет на формирование сновидений, и сны, соответственно, имеют определенный психологический смысл.
А вот согласно висцеральной теории сна, сновидения не несут никакого функционального значения. Во сне импульсы от внутренних органов прорываются в отвечающие за чувственное восприятие структуры мозга и запускают продукцию зрительных и слуховых образов. Дело в том, что во сне доступ к областям мозга, связанным с внешним восприятием, заблокирован. Но если сигнал, поступающий от внутренних органов, достаточно сильный, то он может прорвать блокировку. Наиболее чувствительны к этим импульсам именно нейроны, которые были активны при бодрствовании, и поэтому сны часто связаны с недавним опытом и эмоциональными переживаниями. Затем уже включаются ассоциативные связи, которые активируют другие нервные клетки и разворачивают дальнейшую картину сновидений.
Сегодня большинство гипотез, пытающихся объяснить феномен сновидений, утверждает, что сны несут определенный смысл и имеют важное биоинформационное значение. Когнитивная теория Дэвида Фолкеша считает сны продолжением мышления, но уже в спящем режиме мозга: во снах происходит переработка информации, решение проблем и подготовка мозга к задачам нового дня. Гипотеза укрепления памяти утверждает, что сновидения, возникающие в фазу парадоксального сна, способствуют консолидации памяти и помогают закреплять информацию. Некоторые ученые считают, что в период сна мозг предлагает неожиданные решения задач, которые являются неразрешимыми в период бодрствования. Еще одна теория объясняет сны с помощью компьютерной метафоры: сновидения «очищают» разум от ненужной информации, обновляя нейронные сети мозга. Финский ученый Антти Ревонсуо рассматривает сон как моделирование опасных ситуаций, с которыми существует вероятность столкновения в будущем. Есть и гипотеза, рассматривающая сновидения только как проявление эмоциональной сферы. С ее точки зрения сны, особенно связанные со страхами или неприятными событиями, помогают справляться с тревогой.
Все эти попытки объяснить биологический и информационный смысл сновидений либо грешат односторонностью подхода к этому феномену, либо отличаются недостатком эмпирических доказательств. И как бы кто субъективно ни относился к созданной еще столетие назад психоаналитической концепции Зигмунда Фрейда, на сегодняшний день не существует более проработанной и обоснованной теории. Тем более что недавно она получила анатомо-физиологическое обоснование.
Ренессанс Фрейда
«Сновидения — это королевская дорога в бессознательное», — говорил Зигмунд Фрейд. Психоаналитическая концепция рассматривает сны как исполнение скрытых желаний человека. Они зачастую сильно замаскированы и искажены, но обязательно связаны с событиями ближайшего прошлого. У человека присутствуют две мыслеобразующие инстанции: сознательная и бессознательная, щитом между которыми выступает цензура, пропускающая в область сознания только то, что посчитает допустимым. Во время сна контроль цензуры ослабевает, но не исчезает полностью, поэтому скрытые, неугодные ей мысли транслируются из подсознания в сознание в искаженной или измененной форме. При пробуждении цензура вновь отвоевывает потерянные позиции, и именно поэтому мы так быстро забываем свои сны.
Сегодня в когнитивной нейробиологии выделяют две системы памяти: эксплицитную (осознаваемую) и имплицитную (неосознаваемую), но такие же формы памяти выделял в начале XX века Фрейд. А недавнее открытие нового корково-подкоркового нервного пути, соединяющего центр обработки информации, поступающей из окружающего мира, с древними областями головного мозга, порождающими в том числе реакции страха, позволяет объяснить, почему порой текущие события вызывают подсознательные воспоминания об эмоционально значимых ситуациях из прошлого.
Ученые выяснили, что структуры, формирующие неосознанную память, не работают в первые два года жизни, но события этого периода влияют на взрослое поведение и сны. Нейрокартирование подтвердило соответствие структур мозга фрейдовской модели психики: ствол мозга и лимбическая система связаны с Id, а лобные доли отвечают за функции Ego и Super-Ego. Также оказалось, что ключевую роль в генерации сновидений играет система вознаграждения.
Конечно, фрейдовская теория сновидений имеет свои слабые места и подвергается заслуженной критике (и незаслуженной тоже — порой создается впечатление, что некоторые критики на самом деле не читали оригиналы работ Фрейда). К примеру, психоанализ не занимается трактовкой крайне любопытного феномена — вещих снов. Также эта концепция не может объяснить, почему животные видят сны, хотя у них отсутствует культура с ее воздействием на психический мир. Однако нельзя не согласиться с мнением Эрика Кандела, лауреата Нобелевской премии по физиологии и медицине 2000 года, который отмечает, что «психоанализ просто-напросто и по сей день остается наиболее связной и логически обоснованной концепцией функционирования нашей психики».
Быстрый сон и сновидения хоть и взаимосвязанные, но совершенно разные явления, которые регулируются различными механизмами. Во сне мозг восстанавливает свои структуры, синтезирует нейромедиаторы и выводит шлаки. Он избавляется от старых синапсов и образует новые, подготавливая свою аппаратную базу для решения будущих задач. Аналогично компьютеру при включении, мозг производит тестирование и отладку своих систем перед новым циклом работы.
Сновидения же представляют собой визуализацию работы мозга в этом тестовом режиме. Активируются текущие базы данных, но используются они уже в новой аппаратной конфигурации нейрокомпьютера — иной схеме синаптических соединений между нейронами. С точки зрения такого подхода можно объяснять, почему во сне порой возникают решения вопросов, которые не были найдены раньше, и появляются новые нестандартные взгляды на проблемы — работа мозга идет по иной модели, в другом ракурсе. Возможно, используя эту гипотезу «тестирования реконструированного мозга», удастся по иному взглянуть на сон и сновидения и в будущем объяснить механизм и биологический смысл этих двух загадочных и интригующих феноменов.