Система «сон и бодрствование»

Программы, которые обеспечивают своевременную смену сна и бодрствования, несомненно, связаны с гомеостазом. Совокупность соответствующих нервных центров работает по определенным врожденно заданным принципам. При этом на самых разных уровнях эволюции потребность в сне очевидно важна, это редко у кого вызывает сомнения.

Конечно, можно денек-другой не поспать, но уже на третьи-четвертые сутки с мозгом начинают происходить крайне неприятные события. А про нормальную работоспособность при отсутствии сна можно вообще забыть – человек и два плюс два толком не сложит.

Своевременный правильный сон – это важнейшее условие успешного существования нашего организма и мозга.

В политеистических религиях, как правило, есть отдельная «должность» бога сна – в индуизме, буддизме, древнегреческой мифологии. У античных греков было целых два таких товарища. Бог Гипнос отвечал, собственно, за состояние сна, за вход в сонное состояние, а его сын Морфей – за сновидения. Гипнос – серьезное существо, к нему олимпийцы обращались только в крайних ситуациях. Как известно, для того чтобы греки победили троянцев, Гипнос усыпил Зевса, и все кончилось плохо.

Сон и бодрствование – базовые состояния организма и нервной системы. Даже рыбка в пруду и птичка в лесу должны спать. И поскольку это витальные функции, их центры мы обнаруживаем глубоко в стволовых структурах. Начнем с главного центра бодрствования. Эту задачу решают так называемые ретикулярные ядра моста. В срединной зоне продолговатого мозга и моста, самых древних отделов головного мозга, находятся весьма необычные по строению области, которые были названы ретикулярной формацией. Большинство структур ЦНС устроены так, что тела нервных клеток (серое вещество) собраны в скопления – ядра или слоистые корковые зоны. К этим скоплениям подходят волокна-аксоны, покрытые светлыми миелиновыми оболочками (белое вещество). В ретикулярной формации более или менее четкого разделения на серое и белое вещество нет, и между нейронами, на первый взгляд, довольно хаотично проложены волокна. Это выглядит не так, как ядерные структуры промежуточного мозга и базальных ганглиев, и не так, как корковые структуры больших полушарий и мозжечка. Тем не менее, несмотря на отсутствие видимых границ, разные области ретикулярной формации выполняют вполне конкретные функции. В частности, именно ее нейроны образуют центры вдоха и выдоха, а также сосудодвигательные центры, управляющие работой сердца и тонусом сосудов (см. главу 10). В ретикулярных ядрах моста – а это главный центр бодрствования – находятся нервные клетки, реагирующие возбуждением практически на все информационные потоки, которые проходят по нашему мозгу. Сюда посылают часть своих импульсов центры эмоций, двигательные центры, нейросети, обеспечивающие мышление, и, что особенно важно, все сенсорные системы. Такой вот «центральный информационный штаб».

В середине XX века, когда стали изучать ретикулярные ядра моста, физиологи сначала пришли в недоумение: нейроны этой области реагировали на звук, свет, прикосновения, запахи. Поначалу их даже назвали «неспецифическими». А потом поняли, что они все же решают вполне специфическую задачу – выполняют функцию информационного (сенсорного в первую очередь) интегратора. То есть, какие бы стимулы на организм ни воздействовали, возбуждение суммируется на нейронах ретикулярных ядер моста, а дальше уже аксоны этих клеток расходятся по всей ЦНС – от коры больших полушарий до спинного мозга – и задают ее тонус.

Благодаря такому принципу организации мы, например, просыпаемся от любого сильного сенсорного сигнала. Неважно, будильник ли зазвонил, кто-то нас потряс за плечо, затекла и потеряла чувствительность рука, захотелось в туалет – мозг способен включиться, если необходимо. Ретикулярные ядра моста «выдернут» нас из сонного состояния, и, соответственно, все в нервной системе и организме сразу заработает активнее. А если мы «обнулим» сенсорные входы, то, скорее всего, быстро начнем дремать. В тихом темном месте человек засыпает именно из-за того, что вокруг ничего не происходит, нет света, звуков, запахов – и сенсорная активация не идет на ретикулярные ядра моста. А вот эмоции и навязчивые мысли часто мешают заснуть. И выключить мыслительные процессы порой гораздо труднее, чем свет в спальне.

Рис. 11.3. Основные центры сна и бодрствования головного мозга человека, их связи и взаимные влияния. Отметим роль ретикулярных ядер моста (главные центры бодрствования), а также центрального серого вещества среднего мозга и ядер шва (главные центры сна). Активирующее действие различных областей ЦНС показано тонкими сплошными стрелками, тормозное действие – пунктирными стрелками (детальное описание см. в тексте). Внизу в рамке представлены три участка записи ЭЭГ, характерные для состояний спокойного бодрствования (А: альфа-ритм), медленно-волнового сна (Б: дельта-ритм) и парадоксального сна (В: паттерн, указывающий на высокий уровень активации коры больших полушарий)

Практический совет. Если вы хотите проснуться рано утром, а мозг никак не «заводится», нужно добавить сенсорных сигналов. Свет сделать поярче, музыку – погромче. Можно еще съесть что-нибудь такое, чтобы организм «вздрогнул». Например, поможет хорошая ложка горчицы. Нашатырный спирт недаром нюхают в заторможенном, полуобморочном состоянии. Вдохнули такую «бодрость» – раз! – все встрепенулось. Хорошо!

Постоянным и важнейшим конкурентом ретикулярных ядер моста является центральное серое вещество (ЦСВ) среднего мозга – главный центр сна (рис. 11.3). Кроме того, очень важны некоторые ядра гипоталамуса. Отсюда-то и расходится по мозгу сонное состояние.

Центр сна и центр бодрствования непрерывно выясняют, кто сейчас сильнее. От того, насколько безоговорочна победа, зависит наш текущий уровень активности либо крепость сна.

При этом значительная часть сигналов ЦСВ среднего мозга направлена на то, чтобы отключить таламус. Если это удается, то сенсорные сигналы гораздо хуже достигают коры больших полушарий, и дальше начинается процесс засыпания. ЦСВ среднего мозга для генерации тормозных «посылов» в числе прочего использует ядра шва – уже не раз упоминавшиеся на страницах этой книги структуры, секретирующие нейромедиатор серотонин. Получается, что одна из функций серотонина в головном мозге – подавление центров бодрствования в момент перехода ко сну.

Нейроны центров бодрствования секретируют активирующие (возбуждающие) медиаторы, прежде всего глутаминовую кислоту. Напрямую нанести «ответный удар» по центрам сна с помощью этого вещества они, конечно, не могут. Но ретикулярные ядра моста, чтобы конкурировать с ЦСВ среднего мозга, пользуются помощью голубого пятна. Напомню, что эта структура вырабатывает в качестве медиатора норадреналин, круг функций которого очень обширен. Одна из них – тормозить центры сна. Голубое пятно делает это по команде из центров бодрствования и, помимо прочего, при стрессе. Когда голубым пятном командуют миндалина и гипоталамус, мы волнуемся и плохо засыпаем.

Еще одна структура, которая участвует в функционировании системы «сон – бодрствование», – это супрахиазменные ядра гипоталамуса. Они находятся в гипоталамусе, в самой передней зоне, в месте выхода зрительного нерва. Хиазма – перекрест зрительных нервов, супрахиазменные означает «находящиеся напротив перекрестка». Эти ядра – наш самый древний зрительный центр. Они получают часть визуальной информации, чтобы определять общий уровень освещенности. И им совершенно все равно, что конкретно видит мозг рыбы, лягушки или млекопитающего, – важно лишь, сколько света за последнее время «упало» на организм.

В супрахиазменных ядрах есть нервные клетки, настроенные на суточный ритм освещенности. Часть из них активна днем, а часть – ночью. Сигналы «дневных» нейронов попадают в ретикулярные ядра моста, а «ночных» – уходят в ЦСВ среднего мозга. По сути, супрахиазменные ядра – это наши биологические часы, которые аккуратно подсказывают главным центрам бодрствования и сна, что вообще-то наступило утро и пора бы открывать глаза или что приближается ночь и пришло время искать место для ночлега.

Люди относятся к дневным млекопитающим, как и крупные обезьяны, потому что прыгать по веткам, если вес у тебя 40–50 кг, а то и больше, ночью как-то неудобно. Упадешь, расшибешься. Поэтому человекообразные приматы перемещаются по деревьям днем, не спеша. Гиббоны, конечно, прыгают, но они легкие. А вот шимпанзе, которые крупнее гиббонов, аккуратненько перебираются с ветки на ветку. Гориллы вообще не очень-то любят взбираться на деревья и основную часть времени проводят на земле. Потому что некоторые особи горилл весят немногим более 100 кг – попробуй-ка удержи такую тушу на ветке.

Итак, Homo sapiens – дневные млекопитающие, и как бы вам ни хотелось вести ночной образ жизни и сидеть до четырех часов утра за компьютером, долго этого делать без вреда для здоровья не получится. И даже если мы активны ночью, то все равно включаем везде свет, пытаясь обмануть супрахиазменные ядра. Они, в свою очередь, аккуратно отслеживают суточный ритм освещенности и вскоре после заката начинают нам намекать: «Пора бы спать, иди в кроватку, на мягкую подушку, время спать». А утром они способны нас разбудить. Правда, в жизни современного человека такое редко происходит – нас в основном поднимает будильник или ближайшие родственники, говоря: «Пора вставать! На работу опоздаешь!». Но, в принципе, если долго спать, то мы в конце концов просыпаемся и сами.

Супрахиазменные ядра работают довольно мягко, и это правильно. Мы не должны засыпать внезапно, в один момент и где попало. Обезьяна, которая «отрубилась» там, где ее настиг сон, может и не проснуться: ее легко найдет какой-нибудь ночной хищник. Ко сну надо отходить постепенно. Вот обезьяны так и делают. Сначала выбирают безопасное место, осматриваются, могут еще для удобства веток и листьев подстелить. А вот просыпаться, конечно, хорошо уметь быстро, потому что мало ли кто заполз в гнездышко.

Если вы резко измените часовой пояс, то вклад супрахиазменных ядер в регуляцию ритмов сна и бодрствования вдруг становится гораздо более заметен. Надо лишь серьезно изменить локализацию и улететь из Москвы не в Красноярск или Мадрид (разница в 3–4 часа), а во Владивосток или Нью-Йорк (8–10 часов). В этом случае вы точно заметите: «Да, биологические часы работают!» – будете несколько суток бодрствовать и уминать бутерброды по ночам, а днем – дремать. И так до тех пор, пока супрахиазменные ядра не «переведут стрелки» и не встроят вас в местный ритм освещенности. На это понадобится неделя, не меньше, а то и две. А если вы должны возвращаться уже дней этак через пять, то вашим супрахиазменным ядрам придется совсем плохо. Только они начали адаптироваться к Владивостоку, а тут опять Москва. Что за безобразие! В этом случае можно получить заметное расстройство сна, которое преследует людей, по роду своей деятельности часто меняющих часовые пояса. Плохо придется и тем, кто работает сутки через двое или с постоянным изменением времени работы: то первая смена, то вторая, то третья. Не любит наш мозг подобных перемен.

Общий совет: систему регуляции сна и бодрствования лучше понапрасну не перенапрягать. Пока мозг молодой, он справляется, но в зрелом и тем более в пожилом возрасте стабильный режим дня желательно соблюдать.

Тогда нервные процессы будут более качественными, да и здоровье крепче.

Последний пункт в списке главных центров сна и бодрствования – ретикулярные ядра продолговатого мозга. Это вспомогательный центр сна, который работает вместе с ЦСВ среднего мозга. В основном он реагирует на химический состав крови. Если в плазме появляются токсины, избыток глюкозы или какие-то отходы обмена, тогда ретикулярные ядра продолговатого мозга активируются и посылают импульсы в средний мозг. Что это реально означает?

Например, в организме появились токсины из-за того, что мы подхватили вирус или отравились несвежими консервами. В этой ситуации действительно лучше не бегать и не прыгать, а тихо лежать и восстанавливаться. Тут-то очень вовремя и возникает сонное состояние: «Я чем-то отравился, сегодня никуда не пойду, буду дремать, выздоравливать». Это физиологически очень правильное решение.

Более приятна ситуация с избытком глюкозы. Например, вы полдня трудились как пчелка, активно что-то делали и наконец, добравшись до кухни или до столовой, поели как следует – первое, второе, третье и компот. Возникает сонное состояние, потому что глюкоза пошла в кровь. Получается, что с точки зрения ретикулярных ядер продолговатого мозга, если удалось поесть – текущая цель жизни достигнута. Зачем еще активно двигаться? Все нормально, можно лежать и отдыхать. Эти ядра оказывают совершенно очевидное усыпляющее действие. Все мы знаем, как это бывает: кровь «отлила от головы и прилила к желудку», тут можно и сидя на рабочем месте заснуть.

Подобное происходит и при физической нагрузке. Когда мы что-то долго делаем физически, клетки вырабатывают много специфических отходов – в основном азотсодержащих молекул, которые вызывают состояние утомления и сонливости. Поэтому если вы, например, в походе прошли 20 км с рюкзаком, а потом умяли приличную порцию гречки с тушенкой, то сонное состояние разовьется почти мгновенно. Вы можете даже не успеть доползти до палатки, а прямо так у костра и заснете. И ни один комар до вас не допищится.

Система регуляции сна и бодрствования в целом не очень сложна. Но даже из немногих приведенных выше примеров видно, сколько у нее «опций и параметров»: взаимная конкуренция центров, учет сигналов из внешней среды и из внутренней среды организма, суточные ритмы… Эта система обладает всеми необходимыми свойствами для того, чтобы подгонять текущий уровень бодрствования под актуальные задачи и общее состояние нашего тела: утомление, стресс и тому подобное.

Патологическим вариантом работы этой системы является заболевание, которое называется нарколепсия – внезапное засыпание. Нарколепсия во многом генетически детерминирована и особенно опасна для тех, кто водит автомобиль.

Фазы сна и биоритмы мозга

В реальности нейроанатомия и нейрофизиология сна, конечно, сложнее, чем было только что описано. Скажем, все более значимым представляется вклад гипоталамических структур в запуск сонного состояния и последующего перехода к бодрствованию. Речь уже идет не только о супрахиазменных ядрах («биологические часы», суточный ритм которых поддерживается специфическими каскадами внутриклеточных реакций, затрагивающими ядерную ДНК, и в частности гены Bmal1, Clock, Cry1–2, Per1–3). Важнейшим центром сна оказалась вентролатеральная преоптическая область гипоталамуса, с которой связан нейропептид галанин. Важнейшим центром бодрствования – уже упоминавшееся в связи с пищевой потребностью латеральное ядро. В последнем особое внимание привлекают орексин А и орексин Б – нейропептиды, которые исходно рассматривались как регуляторы аппетита. Однако в настоящее время их основную функцию связывают с поддержанием бодрствования.

Важно и то, что сон – это не только отдых. Внутри него сосуществуют два очень разных состояния. Одно – действительно отдых, а вот второе – феномен, который в свое время был назван парадоксальным сном. Ученые его открыли и охарактеризовали, когда начали записывать во время сна электроэнцефалограмму (ЭЭГ).

Ритмы ЭЭГ (биоритмы мозга) очень хорошо описывают общий уровень активации центральной нервной системы, а точнее – состояние коры больших полушарий. Чем активнее наш мозг, тем выше частота волн ЭЭГ и меньше их амплитуда. При сверхнапряженной умственной деятельности на ЭЭГ – почти прямая линия (точнее, сложнейший паттерн, состоящий из низкоамплитудных высокочастотных колебаний без какого-то явно доминирующего ритма), например, когда математик обдумывает новую теорию или шахматист составляет сложный этюд. Это означает, что основная масса нейронов в их коре работает «вразнобой», большинство нервных клеток решает какие-то уникальные задачи. Когда на записи ЭЭГ – похожие на синусоиду волны, это значит, что большинство нейронов коры работает синхронно. Синхронность, в свою очередь, указывает, что они в данный момент времени простаивают, не занимаются обработкой каких-то специфических информационных потоков. Великим разочарованием ученых, занимающихся ЭЭГ, стало понимание, что чем красивее и регулярнее ритм, тем меньше в нем информации. Но общий уровень бодрствования ЭЭГ тем не менее хорошо описывает.

Если вы не спите, но никакие сенсорные сигналы на вас не действуют – например, вы неподвижно и расслабленно сидите в кресле в тихой темной комнате, – на вашей ЭЭГ пишется альфа-ритм. Его частота у взрослого человека обычно колеблется в пределах 10–12 Гц. В основе альфа-ритма – обмен информацией между таламусом и корой больших полушарий. «Есть что-нибудь новенькое?» – спрашивает, например, кора. – «Нет ничего… Глухо, как в танке…» – отвечает таламус, и так – дюжину раз в секунду (особенно это относится к зрительным и слуховым центрам).

По мере засыпания волны становятся реже и выше по амплитуде: синхронизация нейронов коры нарастает. Когда наступает глубокий сон, регистрируется ритм с частотой 1–3 Гц – дельта-волны (см. рис. 11.3, внизу). Эту фазу сна называют медленноволновым сном – именно она соответствует состоянию реального физиологического отдыха. В этот момент работает минимум нервных клеток, нейроны восстанавливают запасы энергии, питательных веществ и строительных материалов.

Но оказалось, что по ходу сна медленноволновая активность периодически замещается очень странной ЭЭГ, которая выглядит так, будто человек интенсивно думает: в основном идут низкоамплитудные высокочастотные колебания. Создается полное впечатление, что в этот момент мозг обрабатывает какую-то информацию. Длится это состояние примерно 15–20 минут, а потом опять наступает медленноволновой дельта-сон. Часа через полтора картина повторяется.

Фазу быстроволнового сна назвали еще парадоксальным сном. Парадокс заключается в том, что хотя на ЭЭГ кора больших полушарий выглядит бодрствующей, человек продолжает спать. Получается, что, отгородившись от внешнего мира, мозг работает с уже имеющейся у него информацией. Если в этот период спящего человека разбудить, зачастую оказывается, что он только что видел сны. Эту фазу еще называют REM-сон, rapid eye movement, то есть фаза быстрых движений глаз. Действительно, под закрытыми веками в этот момент активно двигаются глазные яблоки, как будто идет просмотр информации.

Итак, в ходе обычного ночного отдыха человек вначале часа полтора спит медленноволновым сном – уставший организм восстанавливает силы. Сейчас активно исследуют работу в этот момент так называемой лимфатической системы мозга. Потом появляется первый период быстрого (парадоксального) сна: как правило, он длится не более 15–20 минут. Потом еще полтора часа медленноволнового сна – и вновь REM-фаза, и еще один цикл, и еще один. Постепенно продолжительность периодов парадоксального сна нарастает, а в состоянии дельта-сна человек находится все меньше времени. В итоге четыре-пять раз за ночь мы успеваем побывать и в медленно-, и в быстроволновом состоянии, то есть пройти «полный цикл». Оптимальный момент для пробуждения – переход от REM-сна к новому циклу. Большинство людей свои сновидения не помнят (кстати, часть из них все же возникает в медленноволновую фазу). Наша память обычно сохраняет лишь те сны, которые появляются в момент пробуждения. Под утро снятся легкие сны и, как правило, не очень эмоционально нагруженные. Во время парадоксальной фазы эмоций во снах гораздо больше. Вы можете посреди ночи проснуться, например, от жуткого кошмара – дышать трудно, сердце стучит. Или вдруг после пробуждения вспомните о том, как летали во сне или находились в каком-то замечательном и радостном месте («Вот бы туда вернуться!»). Некоторые (примерно 1 человек из 15–20) не только видят, но и помнят еженощные сны, интересные, как сериалы, и с нетерпением стремятся к любимой подушке, чтобы посмотреть продолжение. Им можно только позавидовать. У них каким-то образом сигналы во время парадоксального сна доходят до сознания. REM-сон – это фаза активной работы мозга с информацией. Она очень важна, например, с точки зрения процессов образования и сохранения памяти.

Парадоксальный сон можно сравнить с разборкой архива, когда мозг-архивариус перелопачивает и обрабатывает (в том числе повторно) данные, накопленные за текущий день, за последний месяц, год, может быть, даже за всю жизнь. И все это органично вплетается в наши сны – поэтому в них запросто всплывают события, которые случались с нами давным-давно, о чем мы уже много лет не вспоминали. Во время сна продолжается обработка информации, и поэтому нас порой посещают творческие сновидения, как и прогностические – их порой называют вещими.

В жизни многих творческих людей сны играли важную роль: именно в этот момент рождались великие научные идеи, происходили поэтические озарения. Все же помнят из школьной программы Дмитрия Ивановича Менделеева и приснившуюся ему периодическую таблицу элементов? Но самый яркий, пожалуй, пример – гений сюрреализма Сальвадор Дали, который специально засыпал, сидя в кресле, с ложкой в руке. Ложка падала в таз, будила его, и он быстро рисовал явившиеся во сне видения. Судя по количеству созданных картин, Дали только и делал, что спал и рисовал, рисовал и спал. Потрясает и глубочайшее содержание его произведений, и качество их исполнения, и производительность художника. И конечно, одно из величайших полотен – картина, которая так и называется: «Сон, навеянный полетом пчелы вокруг граната за миг до пробуждения». В этом названии – прямое указание на источник образов и сюжета.