Для чего действительно нужен сон

Существует очень привлекательная теория, объясняющая, зачем нужен сон: для закрепления памятного следа путём «проигрывания» новообразовавшихся за день связей в коре и гиппокампе. Эта гипотеза объясняет также и сны как результат одновременного воспроизведения разных памятных следов. Эта идея многим нравится, потому что нас всех чертовски интересуют сны (правда, только свои) и мы весьма дорожим своей памятью как основой личности.

Проблема в том, что, приняв консолидацию памяти в качестве основного назначения сна, нам также придётся признать, что опоссум, который спит 19 часов в сутки, имеет очень бурную жизнь и ему, в отличие от нас, есть что помнить. Или, наоборот, у него большие трудности с запоминанием и ему нужно на это дело много времени. Но тогда сразу оказывается, что по скорости запоминания нам не сравниться с ослами. Ослы спят 3 часа.

Хорошая теория должна объяснять максимально возможное количество известных фактов. Пробежимся по фактам.

Достоверно известно, что спят все млекопитающие и птицы. Близкий к нашему сон также обнаруживается у высокоразвитых рептилий. А вот дальше начинаются трудности. Дело в том, что мы умеем достоверно определять сон только когда можем регистрировать энцефалограмму (ЭЭГ — суммарную электрическую активность мозга). Кроме того, полезно также иметь окулограмму (запись движений глаз), миограмму (активность мышц) и кардиограмму. Есть два принципиально разных компонента сна: медленноволновой и парадоксальный. Медленноволновой сон характеризуется высокоамплитудными колебаниями ЭЭГ с частотой 0,5—4 Гц. В это время мышцы расслаблены, но их тонус сохраняется. Глаза либо неподвижны, либо очень медленно дрейфуют. Сердечный ритм падает. Во время парадоксального сна картина резко меняется: в ЭЭГ высокочастотная низкоамплитудная активность, мышцы фактически парализованы (атония мышц), а глаза совершают резкие очень быстрые скачки с нехарактерными для бодрости размахом и скоростью. Часто наблюдается аритмия — нерегулярность сердечной деятельности. Чередование медленноволнового и парадоксального сна есть у всех плацентарных млекопитающих.

Медленные ритмы во сне генерируются между таламусом и корой, так что у животных, не имеющих коры, их будет сложновато найти. Не говоря уже о тех, у кого нет не только коры, но и таламуса. Поэтому применительно к таким животным мы можем говорить только о сноподобных состояниях, в которых поведенчески мы наблюдаем всё то же самое, что у животных с «настоящим» сном:

• циклическое чередование состояний активности и покоя с характерными временами;
• меньшая способность отвечать на стимул в состоянии покоя (например, негромкий, но неожиданный звук в бодрствовании привлекает внимание и вызывает ориентировочную реакцию, а во сне — нет);
• увеличение длительности состояния покоя, если состояние активности искусственно продлено;
• продление периодов бодрости и покоя как реакция на стимуляторы и успокоительные (например, даже дрозофилы от кофеина бодрятся);

и т.д. В таком виде сон наблюдается почти у всех животных, от рыб до червей. При этом довольно сомнительно, что необходимость в запоминании и система хранения памятного следа у человека и нематоды одинаковы.

Очевидный способ проверить, зачем нужен какой-то процесс, — посмотреть, что случается в его отсутствие. Самый удачный метод депривации сна придумал Rechtschaffen, это метод «диск над водой»: две крысы живут на диске, расположенном над ёмкостью с водой, ёмкость разделена вертикальной перегородкой, немного не доходящей до поверхности диска; обеим крысам имплантированы электроды, с которых регистрируется ЭЭГ; одну из крыс лишают сна с помощью программы, анализирующей ЭЭГ, программа запускает медленное вращение диска каждый раз, когда на ЭЭГ регистрируется сон, при этом крыса вынуждена проснуться и начать передвигаться, иначе перегородка сбросит её в воду; вторая крыса является контролем, т.к. движение диска в основном с её сном не совпадает. В этой установке проводилось множество экспериментов с полной депривацией сна, я здесь приведу обобщённую картину.

Полная депривация сна неизбежно вызывает гибель животных через 2-3 недели. При депривации сна крысы теряют вес на фоне увеличивающегося потребления пищи. У них появляются изъязвления на коже и выпадает шерсть. Температура тела сперва повышается, затем начинает падать. Энергетический обмен становится крайне неэффективен (потеря тепла и массы тела на фоне увеличения притока калорий). У крыс разлаживается терморегуляция, они явно начинают мёрзнуть и в режиме свободного выбора температуры окружающей среды они доводят температуру клетки до 37 градусов, хотя без депривации сна их комфортный уровень около 26 градусов. Иногда у депривированных крыс возникает заражение крови, предположительно из-за ухудшения барьерных свойств желудочно-кишечного тракта. Однако антибиотики не предотвращают смерть крыс от депривации сна. Причина смерти крыс остаётся неясной. Возможно, она просто не одна, слишком много систем портится одновременно.

К удивлению исследователей, мозг крыс оказался практически не повреждён депривацией сна. Влияние депривации сна на мозг изучали несколькими методами: проводилась оценка уровня фрагментации ДНК в результате возможного окислительного стресса (TUNEL technique), специальная окраска срезов мозга красителями, чувствительными к деградации нейронов (Fluoro-Jade), оценка экспрессии генов ответа на стресс и генов, связанных с апоптозом (программируемой смертью клеток). Никаких отличий от контроля у депривированных крыс не было обнаружено. То есть если при депривации сна что в организме и оказывается более-менее неповреждённым, то это мозги.

На людях проводились эксперименты с частичной депривацией сна. При четырёхчасовом сне в течение 6 дней у людей возникают расстройства энергетического обмена, особенно утилизации глюкозы. Анализ влияния на организм человека привычного снижения количества сна на больших выборках выявил, что систематическое ограничение сна до 6 часов в сутки ведёт к ожирению (вероятно, вследствие гиперкомпенсации ухудшения обмена веществ увеличением количества съедаемой пищи), проблемам с пищеварительным трактом и сердечно-сосудистой системой (а вовсе не к ранней деменции). У людей, вынужденных постоянно менять ритм сна и бодрствования (например, у работающих сутки через двое) возникают язвенные колиты и другие нарушения работы кишечника.

Разумеется, при депривации сна страдает и память. Но с такими основными эффектами депривации как-то странно считать, что основная функция сна — укрепление памяти. В конце концов, сон много чего улучшает. Например, после сна пропадает краснота глаз, но никто почему-то не говорит, что сон нужен для ликвидации красноглазости. Кроме того, консолидация памяти прекрасно происходит и безо всякого сна: если выучить стишок с утра, вам не нужно спать, чтобы вспомнить его вечером. Сон явно нужен для ликвидации каких-то метаболических проблем, но мы пока не знаем ни каких именно проблем, ни как происходит их ликвидация.

Таким образом, в пространстве гипотез у нас остаётся только две опции:

1. мухи отдельно, котлеты отдельно: у тела во время бодрствования накапливаются метаболические проблемы, которые надо решать, тело их решает, а мозг «в свободное время» занят чем-то своим, например реогранизацией памяти;
2. котлеты привлекают мух: мозг периодически переходит в принципиально другой режим активности неспроста, в это время он занят решением метаболических проблем всего тела.

Вариант «котлеты привлекаются мухами», как мне кажется, рассматривать смысла нет.

P.S. Юношам (и девушкам), обдумывающим житьё: если вам было бы интересно заниматься изучением сна, я могу вас пристроить в одну хорошую лабораторию в Москве. То есть вы мне напишете личное сообщение, и я вам устрою собеседование. Сгодится биолог, физик или медик, можно на курсовую, диплом или диссер.

Источники:

1. Rechtschaffen, A, and Bergmann, BM. Sleep Deprivation in the Rat: An Update of the 1989 Paper. SLEEP, 2002.
2. Cirelli C, Shaw PJ, Rechtschaffen A, Tononi G. No evidence of brain cell degeneration after long-term sleep deprivation in rats. Brain Res. 1999.
3. Keefer L, Stepanski EJ, Ranjbaran Z, Benson LM, Keshavarzian A An initial report of sleep disturbance in inactive inflammatory bowel disease. J. Clin. Sleep Med., 2006.
4. Knutson KL, Turek FW, 2006. The U-shaped association between sleep and health: the 2 peaks do not mean the same thing. Sleep, 29, 881-889.
5. Levy P, Tamisier R, Arnaud C, Monneret D, Baguet JP, Stanke-Labesque F, Dematteis M, Godin-Ribuot D, Ribuot C, Pepin JL. Sleep deprivation, sleep apnea and cardiovascular diseases. Biosci (Elite Ed). 2012.
6. William C. Orr Esophageal function during sleep: Another danger in the night. Sleep Medicine, 2007.
7. Francesco P. Cappuccio, Daniel Cooper, Lanfranco D’Elia, Pasquale Strazzullo, and Michelle A. Miller. Sleep duration predicts cardiovascular outcomes: a systematic review and meta-analysis of prospective studies European Heart Journal, 2011.
8. Ji D & Wilson MA Coordinated memory replay in the visual cortex and hippocampus during sleep Nature Neuroscience, 2007.
9. Raizen DM, Zimmerman JE, Maycock MH , Ta UD, You Y, Sundaram MV & Pack AI Lethargus is a Caenorhabditis elegans sleep-like state. Nature, 2008.

Источник: http://www.strf.ru