Спать для мозга

«Sleep is of the brain, by the brain and for the brain, — пишет бостонский сомнолог Аллен Хобсон. — Сон исходит от мозга, создается мозгом и служит мозгу». Это полемическое утверждение он обосновывает тем, что наиболее убедительные ответы на вопрос о смысле сна дает именно нейробиология.
Сегодня мы знаем, говорит Хобсон, что в начале сна примерно столько же нейронов повышает свою активность, сколько и понижает.
«Даже в фазе МС, когда сознание может быть полностью отключено, мозг остается показательно активным». Нейробиологи все пристальнее наблюдают за тем, что происходит в спящем мозге: благодаря ЭЭГ высокого разрешения, регистрирующей с помощью множества электродов активность коры больших полушарий, они вышли на след феномена локального сна. Сейчас у испытуемых в лаборатории сна снимают даже магнитнорезонансную томограмму, чтобы запечатлеть на снимке, какие части мозга трудятся в данный момент больше, а какие меньше.
Наблюдая за работой спящего мозга, ученые обнаружили, что большой мозг несколько снижает обороты, когда мы находимся в бессознательном состоянии, но есть и такие нервные центры — прежде всего, в промежуточном мозге и стволе мозга — которые в момент засыпания, напротив, особенно активны. Специалисты сразу видят по снимкам, бодрствует человек, погружен в глубокий сон или в БС. Три эти состояния соответствуют трем разным моделям электрической активности мозга. Предполагается, что мозг в каждом из этих состояний выполняет разные, специфические задачи.
Многое указывает на то, что наш мозг во сне занят работой по консолидации: закрепляет воспринятое в состоянии бодрствования. Правда, ученые пока не знают, как именно происходит запоминание. Кроме того, сейчас идет спор о том, для всех ли видов животных память одинаково важна, а также о том, могут ли процессы консолидации протекать и в состоянии бодрствования, если мозг достаточно спокоен.
Бесспорно одно: мозг во сне работает — и затрачивает при этом огромное количество энергии. Ученые обнаружили, что даже во время глубокого сна, когда большая часть нейронов большого мозга ведет себя особенно спокойно, их активность составляет 80% от бодрствующего состояния. Дело, которым они заняты в это время, по крайней мере у высших животных и человека должно быть одной из важнейших причин потребности в сне. Ведь клетки большого мозга, изолированные в тканевой культуре, самопроизвольно впадают в стадию глубокого сна, если им достаточно долго не давать спать.
Сомнологи из Мэдисона Джулио Тонони и Кьяра Чирелли представили в 2003 г. модель задач легкого и глубокого сна, которая прекрасно согласует прежние наблюдения над активностью спящего мозга с экспериментами по консолидации памяти во сне и соображениям о гомеостатической регуляции необходимой продолжительности сна. Когда мы бодрствуем, учимся, узнаем чтото, между нейронами постоянно возникают новые энергозатратные контактные зоны, так называемые синапсы, а уже существующие укрепляются. «В основе обучения лежат стойкие изменения в силе и количестве синаптических связей между нейронами, управляемые сложными каскадами событий на клеточном уровне», — пишут Тонони и Чирелли.
Без этой пластичности мозга, особенно выраженной у новорожденных и маленьких детей, обучение было бы вообще невозможно, поскольку оно состоит именно в выстраивании новых ассоциативных сетей, позволяющих впоследствии снова вызвать воспоминание. Во сне с этой пласгичной, постоянно меняющейся нервной системой явно чтото происходит. Тонони и Чирелли подозревают, что лишь малая часть новых и подкрепленных нейронных связей действительно важна и нуждается в долгосрочном сохранении. Но поскольку каждый из синапсов — в том числе и неважные — затрачивает массу биохимических веществ и энергии, в течение продолжительного бодрствования накапливается потребность в упрощении все более сложного сплетения ассоциативных связей в мозге. Постепенно переполняемый синапсами мозг вносит свой вклад в гомеостатическую компоненту Б, которая вызывает растущую сонливость по мере длительного бодрствования. Ученые говорят о «синаптической нагрузке».
В конце концов мозг поддается растущей потребности и погружается в сон.
Теперь синапсы в большом количестве упраздняются или ослабляются. В результате остаются лишь особенно сильные и важные связи, то есть те, которыми мозг в бодрствующем состоянии пользовался особенно часто и интенсивно. Этим объясняется не только положительное влияние сна на общую умственную работоспособность, но и экспериментально доказанное улучшение памяти во сне: благодаря упразднению большинства лишних синапсов «на уровне нейронов оптимизируется соотношение между важными сигналами и несущественным «шумом», — пишут исследователи.
В следующей затем фазе БС, когда нервные клетки снова проявляют не меньшую активность, чем в состоянии бодрствования, закрепляются, вероятно, синапсы, сумевшие устоять перед масштабной ликвидацией в предшествующий период глубокого сна. Тем самым дополнительно углубляется консолидация памяти.
Но самое важное в новой модели — то, что она предлагает возможное объяснение феномена дельта-волн . На гребне дельта-волн ы практически все клетки большого мозга возбуждены одновременно, во время ее спада все они одновременно успокаиваются. Это идеальное состояние для ликвидации синапсов.
В то же время такой рисунок возбуждения блокирует нормальную обработку информации, необходимую для бодрствующего сознания. Следовательно, медленно, но строго синхронно колеблющееся возбуждение всех нейронов большого мозга требует сна и одновременно поддерживает биохимические процессы, лежащие в основе масштабной ликвидации синапсов, предполагают ученые из Мэдисона. Это позволяет объяснить и тот факт, что потребность в глубоком сне с возрастающей продолжительностью сна резко снижается; становится ясно, почему глубже спят те участки мозга, которые интенсивнее работали во время бодрствования: им нужно ликвидировать больше контактных зон.
Те клетки мозга, которые вовсе не участвуют в общей обработке информации во время бодрствования и могли бы просто отдыхать, также спонтанно активизируются и устанавливают контакты с соседями. Следовательно, они тоже повышают синаптическую нагрузку и вызывают, по крайней мере, в теории, гомеостатическую потребность в сне. Это помогает объяснить, почему животным приходится выходить из зимней спячки, чтобы спать, и почему даже изолированные срезы коры больших полушарий в чашке Петри порождают со временем волны глубокого сна.
Эта модель еще далеко не доказана. Но она объясняет потребность в глубоком сне лучше, чем чрезвычайно популярная теория 1995 г., согласно которой мозговые клетки используют сон главным образом для того, чтобы пополнить запасы растраченной в состоянии бодрствования энергии. Сама по себе идея американцев Джоэля Бенингтона и Крэга Хеллера вовсе не лишена основания. Мозговые клетки действительно заправляются глюкозой в первую очередь во сне. Но, судя по всему, эта потребность — лишь одна из многих компонент, со временем усиливающих сонливость; при этом ее удовлетворение не зависит полностью и исключительно от сна. Новые исследования — в том числе, анализ локального сна у мышей Ирен Тоблер — показали, что запас глюкозы в клетках мозга пополняется и тогда, когда мышам не дают спать, и что этот процесс протекает независимо от появления длинноволнового рисунка ЭЭГ.
Сейчас и сам Бенингтон пересматривает свою теорию 1995 г., предполагая, что сон — прежде всего основа пластичности мозга. Новая концепция, с которой согласен и Маркос Фрэнк, предполагает даже, что в глубоком сне происходит не только массовая ликвидация синапсов, но и целенаправленное усиление особо важных контактных зон между нейронами, способствующее закреплению в мозгу новых сетей.
В целом их гипотеза, о которой сами авторы говорят, что она далека еще от совершенства, звучит так: ритмы активности мозговых клеток во сне, оттета и дельта-волн , сонных веретен и Ккомплексов до полных циклов сна, не могут быть случайными. Однако нужно еще экспериментально доказать, что эти ритмы какимто образом служат изменению контактов между нейронами. Если это удастся, можно будет считать, что исходный смысл сна состоит действительно в «повышении синаптической пластичности». Другими словами, тогда мы будем знать, что сон создан для лучшей обучаемости.
<< | >>
Источник: Питер Шпорк. Сон и сомнология. ПОЧЕМУ МЫ СПИМ И КАК НАМ ЭТО ЛУЧШЕ ВСЕГО УДАЕТСЯ. 2010

Еще по теме Спать для мозга:

  1. Время спать
  2. Меньше спать и дольше жить?
  3. Просыпаться, чтобы спать
  4. МЕТОДЫ ВИЗУАЛИЗАЦИИ МОЗГА.
  5. Феномен головного мозга
  6. Исследование и картирование мозга
  7. РАЗВИТИЕ ГОЛОВНОГО МОЗГА.
  8. ПИТАНИЕ ГОЛОВНОГО МОЗГА
  9. КОРА ГОЛОВНОГО МОЗГА
  10. Сенсорная предрасположенность мозга
  11. Гидроцефалия (водянка головного мозга)
  12. ЭФФЕКТЫ ПОВРЕЖДЕНИЯ ГОЛОВНОГО МОЗГА У ЛЮДЕЙ И ЖИВОТНЫХ
  13. КОМПЕНСАЦИЯ СТАРЕНИЯ МОЗГА
  14. КОНТРОЛИРУЮЩАЯ РОЛЬ МОЗГА И СЛУХ