Что такое сон и зачем он нужен?

Оригинал статьи опубликован в научно-информационном журнале Scientific American №2 2004

Автор статьи — Джером Сигел

Вопрос о природе и функциях сна до сих пор не разрешен. Но сделанные недавно открытия позволили ученым выдвинуть ряд обоснованных предположений о функциях этого загадочного состояния, занимающего у каждого из нас треть жизни.

Людей издавна интересует, что такое сон и зачем он нужен. Ответ на второй вопрос, казалось бы, очевиден: сон придает человеку силы, энергию и бодрость. Но такое объяснение уводит нас от решения проблемы. Это все равно что сказать: мы едим для того, чтобы не чувствовать голода, а дышим — чтобы не испытывать удушья. Однако всем хорошо известно, что главное предна­значение еды — снабжение организма питательными веществами, а дыхание необходимо для осуществления газообмена. Дать столь же простое объяснение функциям сна ученые пока не могут. Его систематическое изучение началось менее века назад. За это время удалось проникнуть в некоторые тайны его природы и сделать ряд обоснованных предположений о функциях этого загадочного состояния, занимающего у каждого из нас треть жизни.

Что такое сон?
Дать научное определение сна — дело сложное. Однако все мы без труда распознаем спящего человека: он неподвижен и слабо реагирует на окружающую обстановку. (Дельфины и многие другие морские млекопитающие могут спать на плаву, а стрижи — во время полета.)

В 1953 г. Натаниэл Клейтман (Nathaniel Kleitman) и Юджин Азерински (Eugene Aserinsky) из Чикагского университета опровергли широко распространенное мнение о том, что сон обусловлен простым прекращением активности большинства структур головного мозга. Ученые обнаружили, что периоды спокойного, или медленного, сна (МС) чередуются у человека с эпизодами быстрого, или парадоксального, сна (БС), сопровождающегося интенсивными движениями прикрытых веками глаз. Исследователи предположили, что в это время в мозгу спящего человека протекают бурные физиологические процессы. Смена фаз быстрого и медленного сна в виде регулярных циклов была обнаружена у всех изученных наземных млекопитающих.

В последующие годы ученые добились наибольших успехов в понимании природы сна, изучая активность нейронов с помощью тончайших микроэлектродов, имплантированных в различные области головного мозга. Исследования показали, что у лабораторных животных большинство клеток мозга максимально активно во время бодрствования, а во время сна их деятельность принимает весьма причудливый характер. Хотя в обеих фазах сна животные полностью неподвижны и как бы не реагируют на внешний мир, однако головной мозг не «отключается».

Фазы сна
В фазе МС различные отделы мозга ведут себя неодинаково. Так, если большинство нейронов мозгового ствола (этот отдел головного мозга переходит в спинной мозг) ослабляют или полностью прекращают свою активность, то большинство нервных клеток коры и других областей переднего мозга лишь незначительно снижают уровень импульсации. При этом необычайно сильно изменяется паттерн (характер) активности этих нейронов. Когда животное бодрствует, корковые нейроны функционируют независимо друг от друга. Во время же МС соседние нейроны начинают импульсировать синхронно, генерируя низкочастотные ритмические разряды. Дыхательный и сердечный ритмы в этой фазе сна замедляются и становятся регулярными, а сновидения возникают крайне редко.

Очень небольшая популяция нейронов в основании переднего мозга обнаруживает максимальную активность только в фазе МС (у человека эта популяция насчитывает всего 100 тысяч клеток). Предполагается, что эти нейроны ответственны за инициацию сна. Ученым пока в точности не известно, какие сигналы вызывают активацию клеток, но уровень импульсации некоторых из них, без сомнения, может увеличиваться с повышением температуры тела, чем можно объяснить возникновение сонливости после горячей ванны или долгого пребывания на пляже.

Напротив, поведение головного мозга в фазе БС напоминает его активность во время бодрствования. Большинство нейронов, как переднего мозга, так и мозгового ствола поддерживают высокий уровень импульсации, непрерывно посылая другим нервным клеткам сигналы такой же высокой (или даже более высокой) частоты, что и во время бодрствования. Не менее высоким остается в фазе БС и общее потребление мозгом энергии. Сильные вспышки нейронной активности сопровождаются подергиванием конечностей и быстрыми движениями глаз. Особенно высокую активность во время БС обнаруживает группа специализированных нейронов в стволе мозга, которые отвечают за развитие фазы БС.

Предпологаемые функции сна в разных его фазах
Самые яркие и живые сновидения возникают у человека во время БС. Они сопровождаются активацией двигательных систем мозга, в остальное время функционирующих только в период бодрствования. К счастью, большинство движений в фазе БС подавляется под влиянием двух взаимодополняющих биохимических процессов с участием нейротрансмиттеров (медиаторов) — химических веществ, опосредующих передачу сигналов от одной нервной клетки другой в области синапса (зоны контакта между двумя нейрона­ми). С одной стороны, мозг прекраща­ет выработку нейротрансмиттеров, которые могли бы активизировать мотонейроны (клетки, контролиру­ющие мышечные сокращения), а с другой — начинает высвобождать нейротрансмиттеры, подавляющие активность мотонейронов (на актив­ность мотонейронов, контролирую­щих сокращения глазодвигательных мышц, эти нейротрансмиттеры не влияют).

БС сильно воздействует и на функ­ционирование мозговых систем, контролирующих деятельность внутрен­них органов. Так, в фазе БС сердечный и дыхательный ритмы становятся не­регулярными — как и во время бодрствования. Дают «сбой» и механизмы терморегуляции: температура тела спящего млекопитающего падает и медленно приближается к температуре окружающей среды.

Функции сна
Оценка физиологических и поведен­ческих изменений, развивающихся у человека и животных в результате длительного отсутствия сна, помогает при изучении функций этого состоя­ния. Более десяти лет назад было уста­новлено, что крысы, полностью лишенные сна, погибают. У них отме­чается значительная потеря в весе (да­же несмотря на усиленное питание), увеличение частоты сердечных сокра­щений и повышение расхода энергии. Смерть наступает через 10-20 дней -быстрее, чем у выспавшихся, но пол­ностью лишенных пищи грызунов.

Ученые пока не знают, что вызывает гибель животных — само отсутствие сна или же связанные с ним пораже­ния мозга. Исследования на людях по­казали, что даже незначительное со­кращение ночного сна вызывает резкое усиление сонливости. А управ­лять автомобилем или заниматься иной деятельностью, требующей по­стоянного внимания и бдительности, в полусонном состоянии так же опас­но, как и после приема алкоголя. Меж­ду тем попытки увеличить продолжи­тельность сна с помощью снотворных средств не только не приносят поль­зы, но и способствуют сокращению продолжительности жизни.

Изучаются и особенности естественного сна у животных. Различная потребность во сне у разных видов млекопитающих проливает свет на некоторые функции этого состояния. Так, опоссумы спят по 18 часов в сутки, а слонам достаточно и 3-4 часов. Можно было бы предположить, что близкородственные виды, обладаю­щие большим генетическим, физиологическим и поведенческим сходст­вом, должны иметь и аналогичные особенности поведения, связанного со сном. Однако изучение диких и ла­бораторных животных показывает, что продолжительность сна не зави­сит от таксономического положения организмов: некоторые приматы спят столько же, сколько и многие грызу­ны, а некоторые грызуны — столько же, сколько и хищные звери и т.д. От чего же в таком случае зависит вре­мя, требующееся им для сна?

Продолжительность сна
Как ни удивительно, главный фак­тор, определяющий этот показатель, — размер тела: крупные животные спят меньше, чем мелкие. У слонов, жира­фов и приматов (в том числе и людей) потребность во сне невелика. Крысы, полевки, кошки и прочие мелкие зверьки проводят в этом состоянии большую часть жизни. Причина кро­ется в том, что им свойственна более высокая скорость обмена веществ и более высокая температура тела и мозга, чем крупным животным. В ре­зультате обменных биохимических реакций образуются свободные ради­калы — частицы, обладающие чрезвы­чайно высокой реакционной способ­ностью и вызывающие повреждение и даже гибель клеток. Таким образом, высокая интенсивность метаболизма связана с увеличением частоты повре­ждений клеток и находящихся в них молекул нуклеиновых кислот, белков и жиров.

Продолжительность сна у разных млекопитающих
Многие ткани способны восполнять ущерб, причиняемый свободными ра­дикалами, заменяя поврежденные клетки новыми, которые возникают в результате клеточного деления. Но в большинстве структур головного мозга новые нейроны после появле­ния животного на свет почти не обра­зуются (гиппокамп, принимающий участие в процессах памяти и обуче­ния, — счастливое исключение). Сни­жение скорости обмена веществ и температуры мозга в фазе МС дает организму прекрасную возможность устранить повреждения, причинен­ные свободными радикалами во время бодрствования. Так, например, вместо старых ферментов, чья структура бы­ла нарушена свободными радикалами, в тканях мозга могут синтезироваться новые молекулы с нормальной струк­турой.

В 2002 г. ученые из Калифорний­ского университета в Лос-Анджелесе показали, что повреждение нейронов головного мозга крыс (в виде разрушения клеточной мембраны) — пря­мое следствие отсутствия сна. Это от­крытие подтверждает предположение о способности МС защищать мозг от вредного воздействия метаболиче­ских факторов.

Но в случае БС эта гипотеза не рабо­тает. В фазе сна, когда большинство нейронов мозга функционирует не менее активно, чем во время бодрствования, репаративные (восстановительные) процессы протекать не мо­гут. Однако самого пристального вни­мания заслуживает особая группа нейронов, которая во время БС ведет себя противоположно. Как уже отмечалось, в фазе БС мозг прекращает выработку некоторых нейротрансмиттеров. К их числу принадлежат норадреналин, серотонин и гистамин, которых ученые относят к классу соединений, называемых моноаминами. Нейроны мозга, продуцирующие моноамины, обнару­живают максимальную активность во время бодрствования, но во время БС эти клетки полностью прекращают ге­нерировать нервные импульсы.

В 1988 г. Джером Сигел с Майклом Рогавски из Национального института здравоохранения предполо­жили, что прекращение выброса нейротрансмиттеров — необходимое усло­вие нормального функционирования этих нейронов и их рецепторов (моле­кул на поверхности клеток, взаимодействующих с нейротрансмиттерами и опосредующих передачу сигналов внутрь этих клеток). Как показывают результаты ряда исследований, дли­тельное высвобождение моноаминов способно привести к десенситизации рецепторов этих нейротрансмиттеров. а приостановка выброса моноаминов во время БС дает системе рецепторов некоторую передышку и возможность восстановить чувствительность к нейротрансмиттерам.

Моноамины играют важную роль и в изменении межнейронных связей в ответ на воздействие новых стиму­лов. Таким образом, благодаря выклю­чению их продукции во время БС го­ловной мозг способен предотвращать изменение межнейронных соедине­ний, которое могло бы произойти под влиянием интенсивной импульсации других нейронов в данной фазе сна.

Материал найден на http://bio.fizteh.ru

Другие материалы по теме сон:Сон — ученые доказали истинность пословицы утро вечера мудренее
Сон улучшает память: с воспоминаниями надо переспать
УТРЕННЕЕ ПРОБУЖДЕНИЕ — ДЛЯ МНОГИХ САМЫЙ ОПАСНЫЙ МОМЕНТ
Ученые раскрывают тайны летаргического сна
Наш характер запечатленн в позе в которой мы спим?
Американский исследователь: совместный сон может спасти жизнь
Американские ученые пытаются разгадать загадку снов, в которых живым являются мертвые
Сон в руку или Йога-ниндру
Ученые подсказали, как правильно заказать нужный сон
Добро пожаловать на наш новый сайт — Центр Медитации и Самопознания
Новый шаг к пониманию природы сна?
Люди будут покорять дальний космос в состоянии сна
У НЕСПЯЩИХ ВЫШЕ ИНТЕЛЛЕКТ, НО КОРОЧЕ ЖИЗНЬ
Витольд Герман и другие о сознании и физической реальности
Исследование: эротические сновидения женщин
Хотите поучавствовать в экспериментах со сном?
Книги: искуство сновидений, чаннелинг, жизнь после смерти, …
ЗАГАДКИ СНОВИДЕНИЙ
ТАЙНА КОШМАРНЫХ СНОВ