Зачем нужен сон
Треть своей жизни мы тратим на сон, хотя могли бы есть, охотиться, размножаться и играть в компьютерные игры. Кроме того во время сна организм уязвим и не может постоять за себя. И все же сон вездесущ. Похожее на сон поведение встречается даже у мух и некоторых медуз, а нарушения сна часто связаны с серьезными проблемами. Давайте разбираться, зачем природа изобрела столь странное состояние неактивности и может ли оказаться, что сон не настолько важен, насколько мы привыкли думать
Существует множество гипотез о функциях сна. Одна точка зрения состоит в том, что сон нужен сам по себе – для консолидации памяти, очистки мозга от метаболитов, восстановления организма, а может даже для регуляции работы внутренних органов. А уязвимость спящего организма – это такая “расплата” за пользу, которую несёт сон. Другие исследователи полагают, что польза от сна состоит в первую очередь в том, что в это время организм экономит энергию и не подвергает себя ненужным рискам. Например, спящий человек не пойдёт в лес в темноте, где его поджидает саблезубый тигр, не провалится в плохо освещенную яму, не наткнется на ветку. По той же причина природа могла придумать и лень.
Один из аргументов в пользу жизненной необходимости сна в его универсальности. Спят не только люди, но и другие животные – мыши, котики, слоны и пингвины (по данным свежего исследования в журнале Science эти птицы спят по десять тысяч раз в день, но всего по 4 секунды, накапливая в итоге около 11 часов сна). Даже медузы впадают в состояние покоя похожее на сон – а если медузам не давать “спать”, то потом им потребуется больше неподвижного времени. Конечно, это не совсем то же самое, что наш сон и медузе не сделать энцефалограмму, чтобы определить фазы сна, но некоторое сходство прослеживается.
Сон-подобное поведение встречается и у мух и у круглых червей. Но действительно ли из “универсальности” сна следует вывод, что он жизненно необходим? На самом деле нет: в мире есть и другие универсальные вещи, которые при этом нельзя назвать жизненно необходимыми. Например, циркадные ритмы – “биологические часы”, которые есть даже у бактерий. Но при этом с помощью генетических вмешательств можно эти ритмы у некоторых видов отменить – и никакой катастрофы не происходит. То есть циркадные ритмы полезны, но не жизненно необходимы. А вот можно ли сказать то же самое про сон?
Учёные многократно проводили эксперименты по депривации сна на животных. Например, ранние опыты на собаках указывали на то, что лишение сна может быть смертельным. Увы, эти опыты были не только не гуманными, но и мало информативными, ведь собак не просто лишали сна, а подвергали огромному стрессу. Вопрос: из-за чего состояние четвероногих ухудшалось – из-за недосыпа или из-за доставленных мучений, служивших инструментом депривации?
Затем появились более аккуратные эксперименты на крысах. Исследователи брали ёмкость с водой на дне и диском, который может вращаться, над ней. Если диск вращается, крыса падает в воду. В общем, учёные помещают грызуна в ёмкость и следят за нервной системой подопытной. Если выясняется, что крыса засыпает, её “скидывают” в воду. В ёмкость также помещают грызуна из контрольной группы который проводит в воде столько же времени, но может спать, когда ‘экспериментальная крыса не спит. Ведь диск вращается, только если засыпает первая крыса. Зачем нужен зверёк из контрольной группы? Чтобы отделить последствия “купаний” от последствий недосыпа.
В итоге выяснилось, что проблемы со здоровьем возникают именно у крыс, которым мешают спать. Эти грызуны страдали от язв, они больше ели, но при этом мёрзли (нарушалась терморегуляция), а ещё в среднем недели через три подопытные умирали. А вот крысы из контрольной группы чувствовали себя неплохо. Получается, сон грызунам жизненно необходим? Давайте поиграем в адвоката дьявола. Во-первых, эти работы 20 летней давности, на удивление, не пробовали воспроизводить (во всяком случае я таких попыток не нашел) и что условия между контрольной и экспериментальной группой все равно не идентичные. Но похожие опыты ставили на голубях, и голуби, в отличии от грызунов, особо от деприваций не страдали – язв у них не возникало, мёрзли они не больше обычного и к смерти это не приводило.
А что со сном у организмов попроще? Не так давно учёные обнаружили, что мушки-дрозофилы впадают в состояние, похожее на сон. При этом, когда дрозофил “сна” лишают, чаще всего ничего плохого не происходит (хотя не факт, что в дикой природе депривация сна сказывается на мушках так же, как в лабораторных условиях). Но все еще интересней: есть мушки с определённой мутацией, которые из-за “недосыпа” все-таки умирают. Кроме того оказалось, что мушки даже одного вида очень сильно варьируют в продолжительности “сна”. Одни мушки спят в сутки по несколько минут, а другие – по полтора часа. Самки дрозофил, как выяснили учёные, в среднем спят в два раза меньше, чем самцы!
Соноподобное поведение учёные обнаружили у вышеупомянутых медуз, а также у гидр. Медузы, например, “спят” так: они замирают и “тонут”. А потом “просыпаются” и всплывают. Учёные прерывали сон и у медуз, и у гидр – у вторых из-за недосыпа снижалась активность стволовых клеток, но это не было смертельным.
Теперь выясним, могут ли люди обходиться без сна. Известны редкие случаи, когда мужчины и женщины подолгу не спали и рекордом здесь считается пациент с редким синдромом Морвана, который предположительно не спал целых четыре месяца. Хорошая новость в том, что мы знаем об этом не со слов пациента. Этот человек жил в лаборатории, за ним наблюдал с помощью полисомнографии известный сомнолог Мишель Жуве (Michel Jouvet).
Кстати, “неспящий” пациент не особо жаловался на самочувствие: он играл в шахматы, читал газеты, вёл обычный образ жизни. Правда, ночью иногда страдал от галлюцинаций. Очень здорово, что за мужчиной следили с помощью полисомнографии – потому что иногда люди думают, что они годами страдают от бессонницы и вообще не спят, но на самом деле спят (это называется парадоксальная инсомния). Ещё бывает микросон – это когда после долгого недосыпа вас “вырубает” на несколько секунд или десятков секунд, а вы ощущаете, что лишь моргнули глазами.
Обычно людям для хорошего самочувствия требуется 7-8 часов сна. Но некоторым в силу генетических особенностей достаточно поспать порядка 4 часов – и чувствовать себя при этом совершенно нормально. Получается, с помощью генной инженерии можно по крайней мере уменьшить потребность во сне? Такой эксперимент проводили с мышами – им отключали два связанных со сном гена. В итоге у грызунов исчезала фаза быстрого (парадоксального) сна, при которой быстро двигаются глазные яблоки и при которой нам обычно снятся сны, и вообще продолжительность сна существенно сокращалась. Мыши не заболевали, всё у них было хорошо.
Ну хорошо, а как быть с фатальной семейной бессонницей? Это очень тяжёлое наследственное заболевание, при котором пациент со временем утрачивает способность спать, ясно мыслить и в итоге умирает. Казалось бы вот железное доказательство необходимости сна, но есть нюанс. Дело в том, что это заболевание – прионное. Прионы - это такие белки, выступающие в роли своеобразных инфекционных агентов. У этих белков аномальная структура и когда они взаимодействуют с похожими на себя нормальными белками, то портят их и тоже переводят в неправильную конформацию. Так “плохие” прионы “размножаются”. А наиболее известные прионные заболевания связаны с повреждениями мозга. И вот фатальная семейная бессонница как раз из таких.
Одно из самых известных прионных заболеваний - болезнь Крейтцфельда-Якоба. Её ещё называют болезнью людоедов, потому что были племена, в которых (преимущественно) женщины и дети ели мозги умерших соплеменников – и в итоге подхватывали этот прионный недуг, со временем превращающийся мозг в “губку”. Не надо заниматься каннибализмом! Но самое интересное в том, что за болезнь Крейтцфельда-Якоба отвечает тот же самый белок. Вся разница в одной аминокислоте. Это очень похожие заболевания и возникает вопрос: может смерть при фатальной семейной бессонницы все-таки связана с повреждения мозга, а не простым недосыпом.
Давайте теперь обсудим основные идеи о том, для чего сон нужен. Есть популярная точка зрения, что во время фазы быстрого сна (REM-фазы) в мозге “проигрываются” события, происходившие в течение дня. Память “упорядочивается”: какие-то ненужные связи между нейронами удаляются, а иные закрепляются. При этом считается, что чем у существа выше коэффициент энцефализации (КЭ, отношение фактически наблюдаемой массы мозга к средней прогнозируемой массе мозга для млекопитающего данного размера), тем нужнее им фаза быстрого сна. Но недавно выяснилось, что дельфины – млекопитающие с очень высоким КЭ – обходятся без этой фазы. Но при этом дельфины хорошо обучаются, запоминают людей, да и вообще с памятью у них всё неплохо.
Фаза быстрого сна может почти отсутствовать и у человека. Так, в медицине описан случай, когда в мозг одного мужчины попал осколок снаряда – и в итоге повредился таламус. Осколок из мозга, конечно, удалили, а после этого пациент стал юристом и художником. Позже выяснилось, что его фаза быстрого сна длилась всего 6 минут, а не полтора часа, как у обычных людей. При этом никаких проблем с памятью у мужчины не было.
В 1970-х учёные поставили такой эксперимент: добровольцам надевали очки-перископы, при ношении которых мир переворачивается – верх оказывается внизу, а низ – наверху. Сначала участники исследования ничего не понимали, постоянно падали, не могли ничего делать. Однако со временем их мозг обучился воспринимать мир по-новому. При этом учёные наблюдали, что у них происходило с REM-сном. По словам авторов работы, REM-сон добровольцев удлинился! Однако позже другая группа специалистов повторила эксперимент – и никакого удлинения фазы быстрого сна не обнаружила. Более того, авторы исходной работы сами повторили эксперимент и согласились, что заявленного эффекта нет.
В общем, не понятно насколько REM-фаза влияет на память. Так, существует группа популярных антидепрессантов — ингибиторы моноаминоксидазы. Очень часто при приёме этих препаратов у пациентов пропадает REM-сон, причём надолго. Так вот, миллионы людей прямо сейчас принимают это лекарство — но никто не заметил, чтобы у них ухудшалась память. Есть даже отдельные исследования с выводом, что память у пациентов немного улучшается.
Но должен же сон быть для чего-то нужен! Пока что самой правдоподобной гипотезой видится следующая. В 2013 году Майкен Недергор опубликовала работу, согласно которой во время сна у нас происходит “промывка мозгов”. Объясню на пальцах: в нашем головном мозге есть межклеточная жидкость, омывающая нейроны, которой во время сна становится больше. При этом из мозга удаляются некоторые вещества, в том числе бета-амилоиды. Это белки, накопление которых наблюдается при болезни Альцгеймера. Процесс “промывки мозгов” влияет на содержание ионов и сигнальных молекул в окружающей нейроны среде, что влияет на их способность активироваться. Поэтому мозг в состоянии сна не может работать так, как во время бодрствования.
Позже в пользу гипотезы “промывки мозгов” вышла еще одна работа. Во время глубокого сна у человека наблюдаются медленные ритмы мозговой активности (дельта ритмы). Когда нейроны активируются к ним приливает кровь, что приводит к локальному увеличению объема жидкости. Подобные ритмические притоки крови создают нечто вроде насоса, который прокачивает через мозг межклеточную жидкость. Было показано, что если человеку дать молекулярную метку, которая локализуется в его мозгу, то глубокий сон способствует ее выведению, а при депривации сна больше метки сохраняется. Так что вполне возможно, что сон нужен для поддержания гомеостаза среды, окружающей наши нервные клетки.
Но все же вопросов о функциях сна остается больше, чем ответов. Давайте следить за новыми исследованиями вместе.
Список литературы: https://docs.google.com/document/d/1cNCQGXd1pEpBe6MRepCSEYfSrMPj8TB43fC0VV8uitw/edit