Письмо 29. Сон
Опубликовано в журнале Урал, номер 12, 2019
Когда в сентябре 2013 года (это было чуть ли не в другой жизни) я начинал свои «Письма», я написал: «Но одна из задач научного просвещения — это ответы на вопросы, которые задает здравый смысл… Их много, и они почти всегда очень сложны, несмотря на простоту формулировки, и далеко не на все удовлетворительный ответ сегодня найден. “Как устроена Вселенная?”, “Есть ли жизнь на Марсе?”, “Зачем человек спит?”»1.
На вопрос об устройстве Вселенной с точки зрения современной науки я попытался ответить2. То, что жизнь на Марсе рано или поздно будет найдена, я сегодня почти не сомневаюсь, но подробно разбирать этот вопрос, относящийся к астробиологии, я уже не буду — он оказался совсем в стороне от главной темы всех «Писем» — работы мозга. А вот «зачем человек спит?» — об этом мы поговорим в этой колонке.
Мы просто по опыту знаем, что человеку нужно отдыхать, что постоянно работать и бодрствовать он не может. Это, конечно, так. Но каковы механизмы отдыха и как происходит восстановление — совсем неочевидно.
Поскольку человек тратит энергию на движение и мышление, ему необходимо ее компенсировать. Иначе наступит истощение. Значит, надо питаться. Необходимо пополнять энергетические запасы, нужна глюкоза, невосстановимые аминокислоты (то есть такие, которые человек получает только с пищей и не умеет производить сам) и многое другое.
Но зачем он еще и спит? (Не только человек, конечно, но и другие живые организмы.) Сон ведь довольно странное состояние. Во-первых, он отнимает от наших сознательных занятий какую-то огромную кучу времени. Во-вторых, человек не может своим сном управлять. Уснуть по команде невозможно (а вот проснуться можно, хотя это и не всегда легко). Сон приходит как бы сам по себе. Иногда случается бессонница, и это довольно мучительное состояние. Даже прием снотворного помогает не всегда (но часто).
Самое простое объяснение сна дает компьютерная метафора. Если операционную систему компьютера долгое время не перезагружать, она начинает хуже работать, и становятся более вероятны сбои. Это связано с тем, что под управлением операционки работают сотни процессов. Если процессы завершаются штатно, то они освобождают за собой память, необходимую для их выполнения, и вообще «убирают за собой». Но в некоторых случаях исполнение просто прерывается, причем по совершенно непонятным пользователю причинам (зависший Word, который вдруг начинает жить собственной жизнью и не реагирует на клавиши, видели все). Тогда в памяти могут остаться незавершенные процессы, неосвобожденная память и другие неприятности. Если компьютер не перезагружать, весь этот мусор будет накапливаться. А после перезагрузки жизнь начинается заново — с чистого листа, то есть с чистой памятью.
В мозге постоянно происходят миллиарды процессов. Можно предположить, что сон — это такая перезагрузка, которая позволяет начать с чистого листа. Что-то в этом объяснении есть и правильное, но оно как минимум не полное. Дело в том, что мозг во время сна не отключается, а скорее переключается — переходит с одних задач на другие. Одна из этих задач сна, безусловно, восстановление не только мозга, но и других органов. Но это только одна из задач.
Самое удивительное, что сон необходим в первую очередь даже не нашему мозгу, что, казалось бы, совершенно естественно, а внутренним органам, в том числе желудочно-кишечному тракту.
Сон исследуют, лишая сна. С человеком так поступить нельзя, лишение сна — это мучительная пытка. Поэтому эксперименты ставят на животных. Как правило, животное постоянно отвлекают и не дают ему уснуть. Причем в исследованиях XIX и первой половины XX века нередки исследования с летальным исходом. Потом ученые стали более гуманны к своим подопытным — обезьянам, собакам, кошкам — и, предвидя неминуемую смерть, животному дают уснуть. Но и сегодня иногда необходимо довести мышь или крысу до смерти, чтобы потом ее вскрыть и проанализировать последствия депривации сна.
Автор замечательной книги «Загадки сна»3 Михаил Полуэктов (на которую я буду много ссылаться) пишет: «Первые в мире исследования такого рода были проведены Марией Михайловной Манасеиной. Она была врачом и выдающимся ученым своего времени — занималась проблемами алкогольного брожения, воспитания детей и гигиены. В 1892 г. Мария Михайловна написала книгу, посвященную вопросам сна, — «Сон как треть жизни человека, или Физиология, патология, гигиена и психология сна»4. Она провела самые первые опыты по лишению сна животных — эксперименты были выполнены на 10 щенках 2–4-месячного возраста, которых поддерживали в состоянии постоянного бодрствования, лаская и заставляя непрерывно двигаться. Это привело к гибели всех животных в течение пяти суток, причем чем моложе был щенок, тем быстрее наступала смерть. Обследование мозга погибших собак обнаружило значительные изменения — кровоизлияния, разрушение сосудов, дегенерацию мозговой ткани».
Когда группа американских сомнологов (а так и называют специалистов по сну) в 1983 году провела подобные эксперименты, результаты оказались другими. Контрольное животное — крыса, почти полностью лишенная сна, погибала через две-три недели. Но, как пишут исследователи, «наверное, единственным органом, в котором не было обнаружено видимых невооруженным глазом отклонений от нормы, был мозг»5.
К сходным выводам пришел и российский сомнолог Иван Пигарев, он тоже обратил внимание на то, что в первую очередь от бессонницы страдает вовсе не мозг. В своей лекции, прочитанной в лектории Полит.ру6 в 2014 году, он говорит: «…зрительную информацию мы получаем через рецепторы, расположенные в сетчатке глаза, — палочки и колбочки. Это все знают еще из школьных курсов анатомии. В глазах человека их порядка полутора миллионов. Сигналы от палочек и колбочек передаются в мозг для анализа. В результате этого анализа мы видим. Мы можем оценивать расстояния, узнавать лица и организовывать наше обычное, нормальное зрительное поведение. Так вот, оказалось, что только в стенках желудочно-кишечного тракта расположено столько же рецепторов, сколько в обеих сетчатках наших глаз. Эти рецепторы передают сигналы о температуре, химическом составе перевариваемой пищи, о механических изменениях там и, видимо, о многом-многом другом… В мире нашего сознания не представлен наш висцеральный7 мир. Но поток информации, идущий оттуда, огромен, он соизмерим с потоком зрительным». Пигарев приходит к такой гипотезе: «Сон — это то время, когда наш мозг переключается на анализ сигналов, приходящих от внутренних органов. Если там столько сенсоров, то не зря же они там расположены. Если они там есть, значит, они работают… Если они работают, значит, эту информацию должен кто-то анализировать».
В этой цитате, которую я взял из расшифровки лекции Пигарева, есть довольно грубая ошибка: палочек и колбочек не полтора миллиона, а больше на два порядка, сетчатка глаза человека содержит около 92 миллионов палочек и 4,5 миллиона колбочек8. Поскольку у человека два глаза — получается почти 200 миллионов рецепторов. Возможно, это просто оговорка лектора или ошибка в расшифровке. Но вот встает вопрос, а можно ли количество рецепторов кишечника сравнить с количеством рецепторов в глазах? И можно ли объем информации от кишечника сравнивать с объемом зрительной информации? Оказывается, да, можно — по порядку величины эти объемы сравнимы.
Но здесь придется сослаться на работу, которая была опубликована только через три года после лекции Пигарева9. В эпителии кишечника есть энтерохромаффинные клетки. Их сравнительно немного — менее 1%, но они играют очень важную роль, в первую очередь они производят около 90% всего серотонина в нашем организме (именно из слизистой оболочки кишечника серотонин впервые и выделили). Серотонин — это важнейший нейромедиатор и «гормон счастья». Оказалось, что энтерохромаффинные клетки еще и играют роль самых настоящих рецепторов, которые считывают информацию о состоянии кишечника. Нейроны, которые подходят к кишечной стенке, образуют с энтерохромаффинными клетками настоящий синапс (электрохимическое соединение), через который с помощью того же серотонина, работающего как нейромедиатор, передается сигнал в мозг. И хотя таких клеток относительно немного по сравнению со всеми клетками кишечного эпителия (а таких клеток около 5 миллиардов10), их количество сравнимо по порядку величины с числом зрительных рецепторов (энтерохромаффинных клеток около 1% — это около 50 миллионов). Учитывая, что есть прямой нейронный сигнал от таких кишечных рецепторов прямо в мозг, вывод Пигарева выглядит вполне реалистичным. Да, действительно, всю эту пропасть информации надо обрабатывать. И лучшего времени, чем сон, для этого не найти. Потому, в частности, что зрительные рецепторы в это время не работают. И мозг, пока мы спим, занимается мелким, но жизненно важным ремонтом нашего кишечника. И не только кишечника, но и других внутренних органов, например, печени.
Пигарев показывает на опытах с мышами и кошками, что в первую очередь при депривации сна страдает именно эпителий кишечника: там возникает эрозия, а потом и язвы, если бессонница продолжается, поражается кожа и выпадает шерсть. И наступает смерть. (Здесь необходимо отметить, что Пигарев своих кошек очень любит и до смерти их не доводит, даже напротив — после того как кошка поработает на дело науки, ученый ее забирает к себе дачу, и она живет на почетной пенсии.) Мозг остается вполне здоровым, даже если животное умирает от бессонницы. Значит ли это, что он от бессонницы не страдает? Не значит. Просто он дольше может обходиться без сна, чем, например, эпителий кишечника.
Во время сна в мозге идут самые разные процессы и по восстановлению нормальной работы нейронов, и по перестройке межнейронных соединений (синапсов).
В совсем новой работе11 показано, что во время сна снижается уровень нейромедиатора норадреналина (а его повышение как раз дает сигнал к пробуждению). Как только уровень норадреналина снижается, активизируются иммунные клетка мозга — клетки микроглии. Они начинают наводить порядок. Они борются с инфекцией, удаляют ткани мертвых клеток, ремонтируют травмированные нейроны, но они еще и перестраивают синапсы. Клетки микроглии «рассасывают» дендритные шипики — это приводит к забыванию того, что пора забыть12, они способствуют росту новых дендритных шипиков и появлению новых синапсов, то есть закрепляется новая информация. Как только уровень норадреналина повышается, клетки микроглии теряют активность и ждут своего часа: когда человек снова уснет и можно будет заняться своим делом.
Во время сна активируется работа хромосом и начинается ремонт самой ДНК нейронов13. Автор работы Лиор Аппельбаум из университета Бар-Илан, Израиль в интервью «The Guardian» сказал: «Во время бодрствования ДНК нейронов накапливает много повреждений, которые активно удаляются именно во время сна»14. Он сравнил такие повреждения с выбоинами на дороге, которые удобнее всего подлатать как раз тогда, когда нет трафика. Он высказал предположение, что нейроны по мере накопления повреждений «устают» и дают команду мозгу: «Пора спать», чтобы получить время для ремонтных работ. Сравнение состояния сна с пустыми ночными дорогами имеет глубокий смысл. Во время сна снижается температура тела и сокращается энергопотребление (почти на 30%). Действительно, «трафик» стихает.
Есть и еще одна особенность сна, довольно неожиданная. Полуэктов пишет: «Большая часть суточной продукции гормона роста (около 80%) выделяется именно в состоянии глубокого сна. Расхожее утверждение, что «дети растут во сне», — это не красивая метафора, которая означает, что мы не видим, как они растут, а доказанный научный факт. У взрослых благодаря такому гормональному эффекту сон способствует лучшему мышечному восстановлению. Показано, что у спортсменов при увеличении времени, отводимого на сон, улучшаются результаты».
Во сне не только продолжается потребление энергии, но и происходит ее накопление. Полуэктов пишет: «Основным видом активности нервных клеток является генерация электрического импульса, которая становится возможной за счет работы ионных каналов, избирательно пропускающих ионы калия (K+) и натрия (Na-) внутрь клетки. Источником энергии обеспечения работы этих каналов является аденозинтрифосфорная кислота (АТФ), которая представляет собой молекулу аденозина, к которой присоединены три остатка фосфорной кислоты. При отсоединении каждого из этих остатков в процессе химической реакции выделяется большое количество энергии… В лобных отделах мозга крыс было обнаружено увеличение содержания АТФ во время сна». Поэтому так освежает даже короткий сон.
Если человек долго не спит, в мозге образуется свободный аденозин (после отделения остатков фосфорной кислоты и передачи энергии), избыток аденозина начинает «давить» — и человека клонит в сон.
Все это говорит, что во время сна, пока мы ему не мешаем, организм получает возможность заняться своими делами и подготовиться к следующему рабочему дню. И на уровне ДНК, на уровне клеток — нейронов и кишечного эпителия, и на уровне синапсов — перестройки памяти, и на уровне запасов энергии в АТФ. Это все процессы очень важные. Без этого мы не проживем и недели.
Мы живем на планете Земля. И очень от ее устройства зависим. Вот, например, Земля вращается вокруг своей оси, и в течение суток ночь сменяет день, то есть меняется естественное освещение. Обитатели Земли жили при естественном солнечном освещении миллиарды лет и выработали циркадные (суточные) ритмы. Эти ритмы работают просто на уровне генов, которые эти ритмы регулируют. Именно смена освещения играет главную роль — как сигнал ко сну.
Свет проходит от зрительных рецепторов по зрительным нервам к хиазму — это перекресток, где пересекаются левый (от левого глаза) и правый (от правого глаза) зрительные нервы. В хиазме происходит перераспределение визуальной информации: информация о правых зрительных полях от обеих глаз уходит в левый зрительный тракт, а о левых зрительный полях — в правый и дальше — к визуальной коре, которая находится в левой и правой затылочных долях обоих полушарий мозга. Зачем все устроено так непросто, мы здесь обсуждать не будем. Можно считать это косяком эволюции, а можно думать, что мы пока еще чего-то не догоняем. Как раз над хиазмом находится супрахиазменное ядро — небольшая область мозга, одна из главных функций которой передать сигнал о том, светло сейчас или темно, эпифизу, или шишковидной железе. Путь, по которому сигнал от супрахиазменного ядра идет к эпифизу, — это еще один «косяк»: путь этот крайне непростой, сигнал «идет по симпатическому пути через гипоталамус, ствол мозга, спинной мозг и верхний шейный симпатический узел, а потом через постганглионарные волокна и отверстие в черепе попадает в эпифиз» (Полуэктов). Почему так сложно? Полуэктов пишет: «Филогенетическая (повторяющая эволюционное развитие видов) история эпифиза очень интересна. На заре эволюции он выполнял функции «третьего глаза», снабжая животных информацией об уровне освещенности, что позволяло им приспосабливать свои биологические ритмы к окружающей обстановке. По структуре «третий глаз» был практически аналогичен двум другим и расположен наверху черепа, под истонченной костью. Через это «окошко» в пинеальный (шишковидный. — В.Г.) орган и проникал свет. Этот необычный орган сохранился у холоднокровных позвоночных — у пресмыкающихся, земноводных и рыб. «Глазное» происхождение эпифиза доказывается и тем, что, даже потеряв свойственную глазам структуру, эпифиз птиц может воспринимать информацию об уровне освещенности непосредственно через кости черепа».
Поскольку эпифиз находится глубоко в мозге человека и никакого выхода к свету у него нет, таким непростым способом он узнает, что за окном стемнело. И после этого начинает вырабатывать гормон мелатонин. Этот гормон как раз и клонит нас ко сну. А к утру мелатонин вырабатываться перестает, и мы просыпаемся. Выработку мелатонина, в частности, прерывает яркий свет. Если ранним зимним утром, когда еще темно за окном, вам необходимо подняться с постели, — включите яркий свет. Это поможет проснуться.
Именно с мелатонином связаны наши индивидуальные циркадные ритмы. У «сов» выработка мелатонина смещена на более позднее время, а у «жаворонков» — на более раннее. И соответственно совы позднее ложатся спать и позднее встают, а жаворонки и раньше ложатся, и раньше встают.
Индивидуальные особенности, связанные со временем сна, называются хронотипом. Хронотип меняется с возрастом. Дети — «жаворонки», подростки все больше «совеют», а пик этого «осовения» приходится на 18–20 лет. В этом возрасте особенно трудно вставать рано утром и особенно трудно заснуть вечером, а не глубокой ночью. Причем у юношей это «осовение» выражено сильнее, чем у девушек. Это прекрасно знают все университетские преподаватели. На первой паре большая часть аудитории спит. И нужны какие-то специальные танцы с бубнами, чтобы разбудить (в самом прямом смысле) аудиторию. Сомнологи все это давно и прекрасно знают. Но занятия в университете часто начинаются в девять, а то и в восемь, что вообще-то почти бессмысленно.
Но с возрастом человек становится все больше жаворонком. Сов среди людей 40–50 лет совсем немного. И если человек в таком возрасте засыпает только к утру — это ненормально. И лучше принять какие-то меры. Необязательно, кстати, медикаментозные, хотя и это тоже можно в особо запущенных случаях. Самый простой способ — это небольшие физические нагрузки ранним вечером: прогулка, например, или небыстрый бег. Такие нагрузки сдвигают выделение мелатонина как раз часов на 11–12. И уснуть легче.
Спать необходимо. И не урывками, а лучше полноценные семь часов. Такая продолжительность сна оптимальна практически для любого возраста (ну, кроме младенчества). Спать надо ночью, чтобы точнее совпадать с выработанным для нас эволюцией суточным ритмом. И просыпаться лучше по внутренним часам, когда мы как следует выспались, и лучше, если сигнализирует нам, что пора пробуждаться, не будильник (будь он проклят!), а наш организм, который закончил ремонтные работы, перестроил синаптические связи и сделал необходимые запасы энергии.
И тогда ваш сон будет сладким, а пробуждение — бодрым.
Тем, кто ложится спать,
Спокойного сна.
(Виктор Цой)
1 Владимир Губайловский. Письма к учёному соседу. Письмо 1. Сквозь нейронные джунгли. «Урал», 2013, № 9.
2 Владимир Губайловский. Письма к учёному соседу. Письмо 18. Стивен Хокинг и свобода воли. «Урал», 2017, № 11.
3 Полуэктов М. Загадки сна. От инсомнии до летаргии. М.: Альпина нон-фикшн, 2019. (Серия «Библиотека ПостНауки»).
4 Манасеина М.М. Сон как треть жизни человека, или Физиология, патология, гигиена и психология сна. — М.: «Русская» типо-литография, Тверская Д. Гинцбурга, 1892.
5 Cirelli C., Shaw P.J., Rechtschaffen A., Tononi G. No evidence of brain cell degeneration after long-term sleep deprivation in rats. Brain Res. 1999. 840: 184–193.
6 Иван Пигарев. Основной парадокс состояния сна и его экспериментальное разрешение. https://polit.ru/article/2014/05/04/pigarev.
7 Висцеральные органы — внутренние органы, расположенные в грудной и брюшной полости.
8 Curcio, CA.; Sloan, KR.; Kalina, RE.; Hendrickson, AE. Human photoreceptor topography. // J Comp Neurol journal. — 1990. — February (vol. 292, no. 4). — P. 497—523.
9 Nicholas W. Bellono, James R. Bayrer, Duncan B. Leitch, Stuart M. Brierley, Holly A. Ingraham, David Julius. Enterochromaffin Cells Are Gut Chemosensors that Couple to Sensory Neural Pathways // Cell. Published: June 22, 2017. На русском языке краткий пересказ статьи см. на сайте журнала «Наука и жизнь» https://www.nkj.ru/news/3162/.
10 Оценку количества клеток кишечного эпителия см., например, здесь: Ю.А. Александров Основы радиационной экологии: учебное пособие. http://window.edu.ru/catalog/pdf2txt/566/77566/58651?p_page=15
11 Stowell et al. (2019) Noradrenergic signaling in the wakeful state inhibits microglial surveillance and synaptic plasticity in the mouse visual cortex. Nature Neuroscience. DOI: https://doi.org/10.1038/s41593-019-0514-0.
12 Владимир Губайловский. Письма учёному соседу. Письмо 24. Искусство забывать. «Урал», 2018, № 12.
13 D. Zada, I. Bronshtein, T. Lerer-Goldshtein, Y. Garini & L. Appelbaum. Sleep increases chromosome dynamics to enable reduction of accumulating DNA damage in single neurons // Nature Communications. Volume 10, Article number: 895 (2019). Published: 05 March 2019.
14 https://www.theguardian.com/science/2019/mar/05/sleep-helps-to-repair-damaged-dna-in-neurons-scientists-find.