Для чего нужен сон?

Один из наиболее известных в мире исследователей сна Аллан Рехтшаффем (Allan Rechtschaffen), признавая, что однозначного ответа у нас пока нет. в 1978 г. сказал: «Если сон не выполняет абсолютно жизненно важную функцию, тогда это крупнейшая из всех когда-либо существовавших ошибок эволюции». В 1990-х гг. другой ведущий исследователь сна Алан Хобсон (Allan Hobson) пошутил, что единственная известная функция сна — избавление от сонливости.

В исследованиях последних 20 лет наконец начали появляться хотя бы частичные объяснения, зачем нам нужно спать. Совершенно ясно, что сон служит не единственной цели. Он необходим для оптимальной работы многих биологических процессов— для поддержания иммунитета и правильного гормонального баланса, эмоционального и психического здоровья, для обучения и памяти, для очистки мозга от вредных веществ. И в то же время ни одна из этих функций не нарушается полностью при отсутствии сна. В общем, сон улучшает работу этих систем, но не абсолютно необходим для них. И все же любой, проведя без сна несколько месяцев, умрет.

Для выяснения этих фактов потребовались десятилетия. В XX в. благодаря методам регистрации электрической активности мозга, параметров работы дыхательной системы, суточных колебаний содержания в крови гормонов и других веществ мы отказались от устаревших представлений, согласно которым сон возникает из-за того, что кровь отступает от поверхности кожи, или из-за накопления теплых паров, образующихся в желудке. Затем исследователи приступили к выявлению полезных аспектов сна. По иронии судьбы чем больше ученые узнают о безусловной необходимости хорошего ночного отдыха для нормальной работы мозга и тела, тем меньше времени горожане XXI в. проводят в умиротворяющих объятьях Морфея.

Фатальная бессонница

Наиболее четкие доказательства того, что нам совершенно необходим сон. были опубликованы в 1989 г. Автор исследования Кэрол Эверсон (Carol Everson) была тогда сотрудницей лаборатории Рехтшаффена. Сейчас она работает в Медицинском колледже Висконсина. Эверсон обнаружила, что если крысам не давать спать, то они умрут в течение месяца. Животных лишили всего лишь одной из стадий сна – стадии быстрых движений глаз (БДГ-сон). Даже сейчас, четверть века спустя, исследователи все еще не понимают, почему крысы погибли. В многочисленных экспериментах, проведенных за эти годы, удалось исключить только некоторые возможные причины. Смерть животных не была вызвана повышенным стрессом, чрезмерным потреблением энергии, нарушением терморегуляции или сбоем в работе иммунной системы.

Отсутствие сна убивает не только крыс. Так, около 30 лет назад была описана фатальная семейная бессонница. Это наследственное заболевание приводит сначала к полной потере сна, а затем к смерти. Болезнь была описана в 1986 г. группой итальянских исследователей, работавших в медицинской школе Болонского университета. Возглавляли группу Элио Лугарези (Elio Lugaresi) и Росселла Медори (Rossella Medori). Они описали историю 53-летнего человека, умершего от бессонницы, которая прогрессировала в течение нескольких месяцев, то же отмечалось у двух поколений его родственников. При исследовании его мозга после смерти была обнаружена массовая гибель нервных клеток в двух областях таламуса. Таламус — часть промежуточного мозга, размером примерно с грецкий орех, где происходит переключение входящих сенсорных сигналов. Кроме того, данная область связана с эмоциональной памятью и формированием характерной картины на электроэнцефалограмме спящего мозга— так называемых сонных веретен.

Как поражение таламуса может привести к бессоннице или смерти, непонятно. Но непосредственная причина повреждения сейчас известна. Вначале 1990-х гг. Медори, к тому времени перешедшая работать в Западный резервный университет Кейса, вместе со своими коллегами выяснила, что повреждение возникает из-за белков с аномальной структурой, которые называются прионами. Кроме того, прионы вызывают почесуху у овец и губчатую энцефалопатию («коровье бешенство») у крупного рогатого скота и человека, хотя при фатальной семейной бессоннице прионы передаются по наследству из поколения в поколение, а не попадают в организм извне, как в случае двух других заболеваний.

К счастью, об иных случаях смерти человека из-за недостатка сна ничего неизвестно (не считая несчастных случаев, когда, например, невыспавшийся водитель засыпает за рулем). Нонет и сообщений о том, чтобы кто-то провел несколько месяцев без сна. Таким образом, у нас остаются два примера, когда длительное полное отсутствие сна приводит к смерти: экспериментальное лишение сна у крыс и наследственное прионное заболевание у человека— и никакого понимания того, что же приводит к смерти в каждом конкретном случае.

Антитела и гормоны

В то же время мы знаем, что даже одной ночи, полностью или частично проведенной без сна, достаточно, чтобы нарушить различные аспекты работы организма, например гормональную активность и защиту от инфекций. В двух исследованиях наблюдали за тем, какие серьезные последствия для иммунной системы могут быть спровоцированы недостатком сна после прививки от гепатита. В первом эксперименте в 2003 г. небольшой группе студентов колледжа утром сделали прививку от гепатита А вакциной, содержащей инактивированный вирус, потом половине участников разрешили ночью нормально поспать, а другая половина должна была бодрствовать. Бодрствующим участникам не разрешили ложиться спать до следующего вечера. Спустя четыре недели ученые взяли образцы крови у студентов и измерили содержание защитных антител, которые их иммунная система выработала в ответ на вакцинацию. Высокий уровень содержания антител означал хорошую реакцию на вакцинацию и, соответственно, лучшую защиту в случае дальнейшего заражения болезнетворной формой вируса. Оказалось, что утех, кому дали поспать после вакцинации, спустя четыре недели уровень содержания антител был на 97% выше.

Негативные последствия можно оценить и в случае если человек спит ночью меньше, чем надо. В следующем исследовании взрослым людям в течение шести месяцев вводили три стандартные дозы вакцины от гепатита В (повторная вакцинация нужна для создания полной иммунной защиты). Ученые снабдили каждого участника детектором движения, похожим на часы, который отслеживал, сколько времени они спят дома. Сопоставляя среднее количество сна в течение недели после первой вакцинации с уровнем антител после второй, исследователи выяснили, что каждому дополнительному часу сна соответствовало повышение уровня содержания антител на 56%. Спустя шесть месяцев после последней вакцинации те, кто спал в среднем меньше шести часов в сутки в течение недели после первой вакцинации, в семь раз чаще имели столь низкое содержание антител в крови, что их можно было считать не защищенными от гепатита В.

Впечатляющие свидетельства ухудшения гормональной регуляции были получены в серии исследований, выполненных Карин Шпигель (Karine Spiegel), работавшей с Евой Ван Каутер (Eve Van Cauter) в Чикагском университете. Водном из исследований 11 молодым мужчинам разрешали спать не более четырех часов в сутки. После пяти полубессонных ночей у них на 40% снизилась способность удалять глюкозу из крови — за этот процесс отвечает гормон инсулин. В другом исследовании Шпигель с коллегами аналогичным образом в течение двух ночей ограничила количество сна 12 мужчинам. Ученые оценивали содержание в крови грелина— гормона, повышающего аппетит; оказалось, что его содержание подскочило на 28%. В то же время содержание другого гормона, лептина, снизилось на 18%. Лептин подавляет чувство голода, сигнализируя мозгу, что в еде нет необходимости.

Все эти физиологические исследования свидетельствуют, что снижение продолжительности сна может привести к увеличению веса; сейчас эту гипотезу подтвердили как минимум в 50 других работах. В некоторых исследованиях дети шести-девяти лет, спавшие менее десяти часов, в 1.5-2.5 раза чаще страдали от излишнего веса. А взрослых тучных людей на 50% больше среди тех. кто спит менее шести часов в сутки. Кроме того, показано наличие связи между недостатком сна и вероятностью развития диабета второго типа.

Заряд негатива

Недостаток сна оказывает влияние на гормональную и иммунную системы, однако сильнее всего он воздействует на мозг. D 2006 г. я совместно с Мэтью Уокером (Matthew Walker), который сейчас работает в Калифорнийском университете в Беркли, провел исследование, в котором мы оценивали, как одна ночь без сна влияет на эмоциональную память. В эксперименте участвовали 26 человек, половина из которых не спали предыдущей ночью, им показывали негативные, позитивные и нейтральные слова (например, «горе», «умиротворение» или «верба») и просили оценить их эмоциональность. Затем, через два дня, после того как они выспались, неожиданно проверили их память.

Люди, лишенные сна в ночь перед предъявлением слов, узнавали слова на 40% хуже, чем нормально спавшие люди. Поразительнее всего то, что лишение сна избирательно повлияло на запоминание слов из разных категорий. Нейтральные слова и те, которые имели положительную эмоциональную окраску, при лишении сна запоминались на 50% хуже, а слова с негативной окраской — всего на 20%. После нормального сна позитивно и негативно окрашенные слова запоминались примерно одинаково, а нейтральные несколько слабее. Иначе говоря, после лишения сна негативные слова врезаются в память в два раза сильнее, чем позитивные и нейтральные.

Данный результат означает, что при недостатке сна вы запоминаете плохие события в два раза чаще, чем хорошие, и создается искаженное и потенциально депрессивное воспоминание об этом дне. Действительно, за последние 25 лет в нескольких исследованиях было показано, что при определенных обстоятельствах недостаток сна может способствовать развитию различных психических расстройств и привести к достаточно
сильной депрессии.

Связь недостатка сна с депрессией достоверно подтверждается в недавних работах, в том числе в исследованиях апноэ, когда во время сна внезапно прекращается поступление воздуха в легкие. Это вызывает храп, удушье и другие нарушения дыхания. Каждый раз, когда люди с апноэ перестают дышать, они на мгновение просыпаются, чтобы начать дышать снова. В результате при тяжелом апноэ человек может просыпаться каждую минуту или две в течение всей ночи. В исследовании, проведенном Центрами по контролю и профилактике заболеваний в США в 2012 г., показано, что мужчины и женщины у которых диагностировано апноэ во сне, соответственно, в 2,4 и 5,2 раза чаще страдают от клинической депрессии по сравнению с теми, кто может лучше выспаться ночью.

Недавно был проведен анализ 19 исследований, в которых показаны результаты лечения апноэ во сне с помощью прибора СИПАП (от англ. continuous positive ainvay pressure, СРАР— «положительное непрерывное давление в дыхательных путях»). Прибор восстанавливает нормальное дыхание и сон и значительно уменьшает выраженность симптомов депрессии. Водном из исследований на начальном этапе случайно оказалось много пациентов с депрессией, однако после применения СИПАП выраженность симптомов снизилась на 26%.

Такие данные еще не дают неопровержимых доказательств того, что неровный сон вызывает депрессию или что эффект от использования СИПАП сопоставим с действием антидепрессантов. Однако это заслуживает дальнейшего изучения. Аналогично в 2007 г. было показано, что лечение апноэ у детей с дефицитом внимания и гиперактивностью привело к 36-процентному уменьшению симптомов гиперактивности. Это достоверно лучший результат, чем те 24%. которые удается получить с помощью стандартных методов лечения СДВГ.

Будущие воспоминания

Несмотря на то что ученые до сих пор не знают, каков физиологический механизм влияния сна или его отсутствия на психическое здоровье, предполагается, что во время сна опыт, полученный днем, преобразуется в воспоминания. За последние два десятилетия появилось большое количество свидетельств того, что сон участвует в формировании воспоминаний независимо от их эмоциональной окраски. В том числе показано, что после обучения сон способствует избирательному закреплению, объединению и анализу новых воспоминаний. Тем самым сон контролирует, что и как мы запоминаем.

В конце XIX и начале XX в. ученые считали, что память нестабильна до тех пор, пока не произошел процесс консолидации, закрепляющий воспоминания таким образом, что они могут сохраниться навею оставшуюся жизнь. В последующих исследованиях показано, что воспоминания способны изменяться даже после того, как они были записаны в мозге и процесс консолидации был пройден. Действительно, реактивация воспоминания может вернуть его в нестабильное состояние даже спустя много времени после того, как оно было сформировано, после чего произойдет реконсолидация, и в этом нестабильном состоянии воспоминание может быть изменено или утрачено. Это одновременно и хорошо и плохо: хорошо, потому что неверные сведения можно исправить, а плохо, поскольку правильное воспоминание может быть повреждено. Таким образом, сейчас ученые говорят о процессе развития памяти, а не о консолидации, особенно при обсуждении обработки воспоминаний во время сна.

Современный период исследования сна и памяти начался чуть более 20 лет назад, когда в Израиле Ави Карни (Avi Kami) с коллегами показали, что при обучении зрительной дифференцировке результат улучшается после ночного сна, но только при наличии фазы быстрого сна (кстати, большинство сновидений происходят именно во время этой фазы). Благодаря данному эксперименту выяснилось, что сон не просто укрепляет воспоминания, чтобы они не исчезали стечением времени, но и улучшает их.

В 2000 г. Уокер зашел в мой кабинет, размахивая журнальной статьей, и сказал: «И для этого тоже нужен сон!” В статье описывалось исследование, в котором участники должны были научиться выполнять движения пальцами в определенной последовательности, и через некоторое время даже без дополнительных тренировок у них это начинало получаться лучше. Однако авторы не проверяли, каким образом сон мог повлиять на качество выполнения движений. Уокер получил ответ за две недели. Он выяснил, что сон действительно повышает качество выполнения, и позднее определил, что влияет на это неглубокий медленноволновый сон, а не стадия быстрого сна, как было показано в экспериментах Карни. Таким образом, можно заключить, что разные стадии сна укрепляют разные типы памяти.

В дальнейшем ученые обнаружили, что не всем воспоминаниям для стабилизации нужен сон. В 2008 г. Джессика Пэйн (Jessica Payne), сейчас работающая в Университете Нотр-Дам, провела исследование, в котором показывала участникам различные ситуации с неприятными объектами, например мертвую кошку посреди дороги. Оказалось, что после ночного сна участники хорошо узнавали изображение мертвого животного, но не помнили контекста. Самое удивительное, что избирательного забывания деталей не происходило, если обучение проводили сутра, а тестировали вечером после дня, проведенного без сна. Оно не обнаруживалось также, если центральный объект не был неприятным, например если это была всего лишь кошка, переходящая дорогу. Таким образом, сон в отличие от бодрствования способствовал тому, что мозг участников сохранял именно изображение с сильной эмоциональной окраской, а не фон или нейтральные картинки.

Но во время сна закрепляются не только эмоциональные воспоминания. Похоже, все, что вы считаете важным, будет выборочно сохранено, пока вы спите. Две исследовательские группы в Европе показали: когда люди учатся определенному навыку, то, что происходит во сне, зависит от того, сказали ли им, что навык будет проверяться. Как и следовало ожидать, к следующему дню закрепляется только та информация, которую должны проверить. И напротив, когда людей обучают утром, информация о том, будут ли их тестировать, не влияет на то, что они будут помнить к вечеру. Соответственно, именно сон, а не бодрствование укрепляет запоминание той информации, которую мозг считает важной.

Такие данные подтверждают взгляды Дэниела Шактера (Daniel Schacter) из Гарвардского университета, который говорит, что память — это о будущем, а не о прошлом. Он утверждает, что наша память формируется не так, чтобы мы могли вспоминать о том, что прошло, а так, чтобы с помощью предыдущего опыта можно было улучшить выполнение чего-либо в будущем. В таком случае неудивительно, что сон преимущественно сохраняет ту информацию, которая может оказаться важной впоследствии. Когда мы говорим, что утро вечера мудренее, мы не имеем ввиду, что утром вспомнится что-то дополнительное. Мы рассчитываем, что мозг возьмет уже хранящуюся в нем информацию, сопоставит различные возможности и найдет лучшее решение. И, к счастью, он действительно это умеет!

В качестве примера такой способности можно рассмотреть эксперимент с игрой в предсказание погоды, проведенный Барбарой Ноултон (Barbara Knowlton) с коллегами в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе. Ноултон показывала людям одну или несколько из четырех карточек, на каждой из которых был определенный геометрический рисунок. Перед началом эксперимента исследователи присваивали каждой карточке определенное значение погоды (дождь, солнце и т.д.). но не рассказывали об этом участникам. Затем, показывая карточки, ученые просили человека предсказать, будет ли погода дождливой или солнечной. Через некоторое время у участников возникало ощущение того, как карточки связаны с погодой. Например, в первый раз показывали карточку с ромбами и говорили, что погода будет солнечной. Потом предъявляли одновременно карточки с кругами и треугольниками, и погода была дождливой. Уже после двух попыток участник неизбежно начнет строить предположения о связи ромбов с солнцем. Но затем, во время третей пробы, снова показывали карточку с ромбами, однако теперь после нее был дождь.

Фокус в том, что карточки связаны с погодой вероятностным образом. Так, карточка с ромбами означает солнце в 80% случаев, но в 20% это будет дождь. Другие карточки могут предсказывать солнце в 20-60% случаев. Даже после 200 попыток участникам все еще не удавалось справиться с задачей, и они предсказывали погоду правильно в среднем в 75% случаев.

Использование такого рода задач позволило ученым выделить две разные системы памяти в мозге — ту, которая запоминает факты (система «что»), и ту, которая участвует в обучении навыкам (система «как»). Когда люди выполняют задачу на предсказание погоды, они постепенно переключаются с системы «что» на систему «как». Когда сотрудница моей лаборатории Ина Джонлагич (Ina Djonlagic) заинтересовалась, что происходит с этой информацией во сне, она получила удивительный результат. Если людей обучали утром, а потом проверяли вечером того же дня, то качество выполнения оставалось на прежнем уровне, т.е. они в точности воспроизводили то, чему научились утром. Ноте, кого учили вечером, а проверяли утром после сна, предсказывали погоду лучше, чем это им удавалось предыдущим вечером. Каким-то образом спящий мозг оказался способным улучшить понимание взаимосвязи между карточками и последующей погодой. Он создал более совершенную модель устройства мира.

Чем больше ученые узнают о том, что происходит, пока мы спим, тем больше выясняется преимуществ полноценного ночного сна. По последним данным в этот список надо добавить выведение отходов жизнедеятельности из мозга. В 2013 г. Лулу Се (LuluXie) из Медицинского центра Рочестерского университета с коллегами сообщили, что пространство между клетками в мозге во время сна увеличивается, что улучшает ток цереброспинальной жидкости по головному и спинному мозгу. Когда исследователи ввели мышам бета-амилоид (предшественник амилоидных бляшек, которые при болезни Альцгеймера обнаруживаются в нейронах), оказалось, что у спящих животных он выводится из мозга в два раза быстрее. Предположительно, увеличение потока цереброспинальной жидкости помогает удалять потенциально опасные молекулы из мозга, подальше оттого места, где они могут причинить максимальный ущерб. Теперь ученые хотели бы выяснить, наблюдается ли у пациентов с болезнью Альцгеймера такое же, как и у здоровых людей, усиление потока цереброспинальной жидкости во время сна.

Учитывая выявленные в недавних исследованиях многочисленные функции сна и высокую вероятность того, что их перечень будет продолжен, пренебрежение сном кажется все более и более дурной привычкой. Взятые вместе, результаты исследований показывают роль сна в гормональной и иммунной регуляции и работе памяти и означают, что при недостатке сна вы не просто будете чувствовать себя очень усталыми – вас одолеют болезни, лишний вес, забывчивость и депрессия.