Зачем нам сон?

    А вот зачем они все спят? Или, научно выражаясь, какова функция этого древнейшего феномена? Самый простой ответ гласит: сон нужен для отдыха. Но что, собственно, отдыхает во время сна – мышцы? сочленения? внутренние органы? В старину считали, что сон позволяет животным сберегать энергию. Или же, оставаясь в неподвижности, укрываться от хищников.

Некоторые исследования последних лет как будто бы указывают, что сон способствует лучшему обмену веществ. Другие исследования с той же степенью правдоподобия говорят, что сон способствует работе иммунной системы. Третья гипотеза утверждает, что сон защищает организм от излишков т.н. «оксидантов», накапливающихся в клетках веществ (т.н. свободных радикалов), которые разрушают клеточные белки и этим вредят клеткам, вызывает «окислительный стресс» организма и даже, как кое-кто считает, ускоряет процесс старения. По Зигелю, отдых в виде сна дает анти-оксидантам время разрушить излишек свободных радикалов).

Большинство ученых, однако, сходятся сегодня на том, что сон прежде всего необходим мозгу. И тут есть две ведущие гипотезы. По одной из них, выдвинутой в 2003 году американскими учеными Чирелли и Тонони, сон способствует тому, что в школе когда-то называли «закреплением пройденного», а именно - закреплению (в виде долговременной памяти) жизненно важной информации, полученной во время бодрствования. Проще говоря, сон нужен для «закрепления пройденного», то есть для усвоения опыта, полученного за день. По мнению Чирелли и Тонони, обилие обрабатываемой нейронами информации так велико, что контакты между ними (т.н. синапсы) в течение дня перегружаются; во сне же мозг как бы «пропалывает» все эти сигналы и отметает малозначащий «шум» от действительно важной информации.

Вторая гипотеза была выдвинута в 2013 году американским ученым Недергаардом. Его группа обнаружила существование в мозгу ранее неизвестной системы очистки от «отходов» метаболизма, которую они назвали глимфатической (по аналогии с лимфатической системой, предназначенной для очистки клеток тела). Проведя специальные опыты на спящих мышах, Недергаард показал, что во время сна скорость выноса внутримозговой жидкости с отходами в 20 раз (!) больше, чем во время бодрствования. Этот факт, по его мнению, указывает, что главное назначение сна состоит в очистке мозга от «отходов дневного производства».

Эти гипотезы, по сути, не противоречат друг другу (разве что каждая группа считает, что ее объяснение «главнее»). В определенном смысле они даже подкрепляют друг друга. Согласно гипотезе Чирелли-Тонони, объем нейронов днем должен быть больше, чем ночью, потому что днем внутри синаптических промежутков проходит много больше сигналов, а каждый сигнал требует для своего прохождения отдельного «мостика» внутри синапса. А во время сна объем нейронов, напротив, должен становиться меньше, зато объем межнейронных «пустот» должен возрастать. Но это именно то, что обнаружили в ходе своих экспериментов Недергаард и его сотрудники. Они нашли, что ночное возрастание потока «отходов» из мозга вызвано большей скоростью этого потока, а это увеличение скорости происходит за счет ночного увеличения объем межнейронных пустот (с 14 до 27% общего объема мозга). Оно и понятно: чем больше пустот, тем легче проходить потоку отходов, тем больше его скорость. Так что увеличение объема пустот ночью и объема нейронов свидетельствует в пользу обеих этих гипотез.

Еще больше подкрепили их результаты новых исследований, опубликованные в научных журналах в нынешнем году. Группа китайских ученых (Dong-xu Liu и др.) показала, что у мышей, лишенных сна, поток отходов, идущий через глимфатическую систему резко уменьшается.

Интересную работу в этом направлении опубликовал также немецкий исследователь Долькарт. Ему удалось найти цепочку физиологических процессов, которые связывают зевание, этот известный признак «недосыпа», с уровнем очистки мозга от дневных отходов. Это делает понятным, почему мы зеваем тем чаще, чем больше недосып: частое зевание - следствие низкого уровня очистки, большего засорения мозга.

Сам процесс зевания, как показал Долькарт, направлен на то, чтобы (действуя через глубокое дыхательное усилие и напряжение определенных мышц) усилить поток через системы мозговой очистки. Глубокий вдох при зевке напрягает бронхиальные мышцы, они сжимают т.н. вагус-нерв, идущий из мозга через глотку в желудок, и это вызывает расширение артерий, подающих кровь в мозг. А опускание нижней челюсти таким же сложным образом напрягает другие мышцы, что облегчает отток венозной крови, в которую из мозга стекают «отходы». Иными словами, зевание пытается выполнить ту функцию, которую «недовыполнил» недостаточный сон. В этом смысле оно является имитацией сна.

 Но одновременно новые исследования показали, что очистка мозга от отходов дневного метаболизма не является единственной или важнейшей функцией сна. Эти работы столь же убедительно доказали, что сон (в соответствии с гипотезой Чирелли-Тонони) играет также важнейшую роль в процессе «очистки» мозга от тех «мостиков» в синаптических промежутках, которые несут в себе следы дневного «шума». Такое еженощное «пропалывание синапсов» призвано освободить место для свободного прохождения новых сигналов на следующий день.

В чем оно состоит? Предыдущие исследования мозга показали, что его нейроны имеют ряд коротких отростков, т.н. дендритов, которые служат им для общения друг с другом. В том месте, где два дендрита сближаются, на них вырастают микроскопических размеров «шипы» или «иглы» (по-английски spine). Это и есть те «мостики», которые облегчают прохождение сигнала через синаптический промежуток между соседними дендритами. Само прохождение сигнала состоит в том, что один нейрон, передающий, будучи возбужден, выпускает из какой-то своей «иглы» в этот промежуток множество молекул белка-нейротрансмиттера, и эти молекулы попадают на иглу другого, принимающего нейрона, вызывая в нем такое же возбуждение. Каждый внешний сигнал проходит через серию каких-то «мостиков» в синапсах множества нейронов, и эта комбинация «мостиков» становится физическим отпечатком данного сигнала в мозгу. Согласно гипотезе Чирелли-Тонони, многие из этих отпечатков, соответствующие случайным сигналам, имеют небольшое число комбинаций, и все они «выпалываются» во время сна путем разрушения всех тех «игл», которые входят в эти комбинации. Остаются только самые «мощные» отпечатки (прежде всего, та новая информация, которая связана с выживанием или направленным обучением). Они-то, при дальнейших повторениях, постепенно складываются в долговременную память.

Если эта гипотеза верна, то следует ожидать, что во время сна появляются какие-то белки, которые уничтожают «иглы» в синапсах; в результате синапсы должны стать меньше по объему. Четыре года назад Чирелли и Тонони задумали проверить это напрямую, путем измерения этого объема с помощью электронного микроскопа. Они начали делать тончайшие срезы мышиного мозга, сделанные в бодрствующем и спящем состояниях, а потом измерять в микроскоп величины синапсов на этих срезах. За 4 года им удалось изучить таким образом синапсы 6920-ти нейронов. Этот огромный труд не пропал даром. Измерения показали, что после нескольких часов сна общий объем этих синапсов стал на 18% меньше, чем был днем. Интересно, что это уменьшение произошло, в основном, за счет 80% изученных нейронов; объем синапсов остальных 20% остался прежним. Авторы объяснили это тем, что в синапсах, не затронутых ночным «пропалыванием», были, по всей видимости, записаны отпечатки «важных» сигналов.

К аналогичному результату, только иным путем, пришла группа китайских ученых (Ли, Ма, Янг и Ган). Эти авторы изучали, что происходит с клетками мозга во время т.н. БДГ-сна. Эта особая фаза сна (по-английски REM-sleep) связана со сновидениями и характеризуется повышенной активностью головного мозга, одним из признаков которой являются быстрые движения глазных яблок. Свой эксперимент группа провела на мышах. Мыши, которых предварительно обучали некой новой моторной функции на беговой дорожке, были затем разделены на две группы: одной давали спать спокойно, а сон второй то и дело прерывали, не давая войти в фазу БДГ. После этого исследователи провели микроскопический анализ нейронов моторного центра мышиного мозга. Для этого у подопытных мышей была предварительно выработана (с помощью генетических изменений) способность выделять светящийся белок в клетках мозга. Через небольшое отверстие в черепе можно было непосредственно наблюдать уровень свечения в разных местах дендрита и отсюда судить о количестве дендритных «игл», в которых вырабатывается светящийся белок. Эксперимент показал, что у мышей, имевших нормальный БДГ, стало существенно меньше «приемных» дендритных игл, чем у мышей, не получивших БДГ. Иными словами, во время нормального БДГ-сна происходила «прополка», или «прореживание» (pruning), дендритных «игл», как это и предсказывает гипотеза Чирелли-Тонони.

И наконец, третья работа, опубликованная в нынешнем году, пролила некоторый свет на механизм этого прореживания. Группа доктора Диринга из университета Джона Хопкинса (США), пользуясь тем же методом наблюдения за работой нейронов через «окошко» в черепе, обнаружила спад производства ряда белков во время сна. Дальнейшие исследования показали, что особенно активную роль в ночной «прополке синапсов» играет белок Homer1A. Обнаружив это, авторы создали в мышином мозгу мутацию, которая предотвращала производство этого белка вообще. Мыши с такой мутацией показали резко пониженную способность к «ночной прополке» слабых сигналов («шума»): в отличие от нормальных мышей, они не отличали клетку, в которой накануне получили слабый удар тока, от любой другой, безопасной клетки.

Для полноты картины следует добавить, что далеко не все ученые, работающие в этой области, согласны с толкованием вышеописанных результатов, как подтверждения гипотезы Чирелли-Тонони. Некоторые специалисты заявляют, что эти ночные изменении в работе мозга могут быть вызваны попросту циркадным (около-суточным) ритмом жизни большинства животных на Земле. Известно, например, что ночью в желудке образуется больше новых клеток, чем днем. Так что обе гипотезы о назначении сна еще требуют новых подтверждений. 

Рафаил Нудельман

"Окна", 14.9.2017