Сон под микроскопом. Что происходит с нами и мозгом во время сна

Влияние окружающей среды, в том числе социальных факторов, скорее всего, существенно в возникновении отклонений от «принятой нормы». Недавнее исследование первобытных племен, которое провела американская лаборатория Джерома Сигела, подтверждает, что испытуемые спят не больше 6–7 часов в сутки и их сон очень точно привязан к изменениям температуры воздуха. «Мы обнаружили, – резюмировали ученые, проводя наблюдения с помощью актиграфа, датчика, который фиксирует всю двигательную активность исследуемого человека, – что ночной сон во всех группах испытуемых приходился главным образом на конец ночи, в период самых низких температур окружающей среды. В природе суточный ритм температуры окружающей среды привязан к ритму заката и восхода солнца ‹…›. Синхронизация, которую мы наблюдали между понижением температуры окружающей среды ночью и сном, возможно, происходит с целью экономии энергии за счет уменьшения разницы температур между телом и окружающей средой, что уменьшает потерю тепла. Бодрствование в ранние часы, во время самых низких температур, было бы неоправданно с точки зрения регуляции обмена веществ».

Пробуждение изнутри

Принято считать, что чем дольше мы бодрствуем, тем больше нуждаемся во сне. Иными словами, «долг сна» накапливается во время бодрствования, и мы должны возвращать его ночью. Но применимо ли подобное логическое умозаключение к периоду сна? Растет ли необходимость бодрствования во сне? Запрограммированы ли мы на определенное количество бодрствования, которое должны получить в течение суток? Или подобные рассуждения применимы только ко сну, а бодрствование «просто запускается», вызывается необходимостью искать еду или иными потребностями?

Начнем с ощущения потребности в пище. Предположим, что механизм пробуждения приводится в действие тогда, когда появляются первые признаки энергетического дефицита, иными словами, когда наступает голод. Ощущению голода способствуют определенные изменения в крови, мозге и других органах, что «включает» производство и секрецию гормонов, ответственных за изменения в обмене веществ и исправление метаболического дисбаланса. Кстати, упомянутый кортизол повышается не только в ожидании пробуждения, но и в ожидании употребления пищи. Определенные области мозга, в частности в гипоталамусе, обладают способностью измерять уровень глюкозы в крови: они работают как сенсоры, датчики ее содержания. Нейроны, которые вырабатывают гормон орексин, например, активируются, когда уровень глюкозы снижается, и, наоборот, тормозятся, когда уровень глюкозы увеличивается. Вообще орексиновые нейроны считаются одним из главных центров регуляции бодрствования. Когда они активны, то посылают сигналы в другие области мозга, ответственные за проявления бодрствующего состояния, такие как внимание и движение. В свою очередь те передают сигнал дальше, и очень быстро «цепная реакция» нейронного возбуждения охватывает большую часть мозга, что приводит к «общему» пробуждению на уровне всего организма. За этим следует запуск поведенческих реакций поиска и употребления пищи, после которых уровень глюкозы в крови повышается, орексиновые нейроны утрачивают драйв к активности и уровень возбуждения мозга сходит на нет, приводя к сонливости и засыпанию. Естественно, описанная схема предельно упрощена, так как не все сводится к единственному гормону орексину и необходимости восполнять запасы углеводов, но считается, что подобный гомеостатический механизм достаточен, чтобы переключаться между состояниями сна и бодрствования.

Некоторую аналогию можно проследить и с последовательностью процессов, которые связаны с накоплением дефицита сна и влекут за собой подготовку ко сну и его последующее «потребление» – такие формы поведения называются консумматорными. В ходе сна, когда организм по определению не употребляет пищу, имеющиеся ресурсы иссякают, орексиновые рецепторы снова активируются и т. д. Удивительно, что в некотором роде похожая динамика на метаболическом уровне наблюдается у растений, которые относительно неподвижны и не в состоянии отправляться искать пищу, но полагаются на наличие света, необходимого для фотосинтеза. В течение дня, когда энергия фотонов света позволяет осуществлять химические реакции образования глюкозы из углекислого газа и воды, происходит запасание веществ в виде крахмала, а затем в течение ночи – его употребление. Растения способны точно рассчитывать «приход» и «расход», чтобы запасов хватило ровно к моменту «пробуждения» с восходом солнца. Если же экспериментально укоротить продолжительность светового дня, то расход крахмала ночью будет более экономным, чтобы продержаться до утра. В некотором роде то же наблюдается и у животных. Если их держать на диете, то количество сна может снижаться, и они больше времени будут проводить в поисках пищи во время фазы бодрствования.