Как мозг переходит от бодрствования ко сну (и обратно)

Нейробиологи, исследующие границу между сном и осознанием, обнаруживают множество типов лиминальных состояний, которые помогают объяснить нарушения сна, возникающие при нарушении перехода от одного состояния к другому. Сохранить статью Прочитать позже

Введение

Подушка холодит щеку. Сосед сверху скрипит потолком. Вы закрываете глаза; тени и свет пляшут перед вашими глазами. Кошка нюхает кусок сыра. Точки падают в озеро. Всё это кажется совершенно нормальным и приятным, хотя у вас нет кошки и вы находитесь далеко от озера.

Вы начали свой путь ко сну — таинственному состоянию, которое вам и большинству других животных в той или иной форме необходимо для выживания. Сон восстанавливает мозг и тело, но мы до конца не понимаем, как именно: восстанавливает ткани, выводит токсины и закрепляет воспоминания. Но, как подтвердит любой, кто сталкивался с бессонницей, войти в это состояние непросто ни с физиологической, ни с психологической точки зрения.

Чтобы заснуть, «всё должно измениться», — говорит Адам Горовиц, научный сотрудник Массачусетского технологического института, занимающийся изучением сна. Приток крови к мозгу замедляется, а циркуляция спинномозговой жидкости ускоряется. Нейроны выделяют нейромедиаторы, которые изменяют химию мозга, и начинают вести себя по-другому, активируясь более синхронно друг с другом. Ментальные образы то появляются, то исчезают. Мысли начинают деформироваться.

«Наш мозг может очень быстро перевести нас из состояния осознания окружающего мира в состояние бессознательного или даже восприятия вещей, которых нет», — сказала Лора Льюис, исследователь сна из Массачусетского технологического института. «Это поднимает крайне интересные вопросы о нашем человеческом опыте».

До сих пор во многом остаётся загадкой, как мозгу удаётся безопасно и эффективно переключаться между этими состояниями. Однако исследования, изучающие переходы как в сон, так и из него, начинают раскрывать нейробиологические основы этих промежуточных состояний, открывая понимание того, как нарушения сна, такие как бессонница или сонный паралич, могут возникать при сбоях в работе организма.

Сон традиционно считался явлением, где всё или ничего, сказал Льюис. Вы либо бодрствуете, либо спите. Но новые данные показывают, что это «скорее спектр, чем определённая категория».

На волне мозговой активности

В 1930-х годах Альфред Ли Лумис, магнат с Уолл-стрит, миллионер, юрист и учёный-любитель, любил сканировать мозг своих гостей, дремавших в его особняке на севере штата Нью-Йорк. Он был пионером в использовании электроэнцефалографа для изучения сна. Каждый спящий носил шапочку с электродами, которые могли неинвазивно измерять активность мозга. Прибор с помощью ручки физически выводил на бумагу, прокручивавшуюся со скоростью 1 сантиметр в секунду, волны с пиками и впадинами, создавая электроэнцефалограмму (ЭЭГ).

Эти волны отражают общую активность нейронов. Когда мы засыпаем, нейроны начинают синхронизироваться, то есть одновременно активируются и одновременно затихают. (Никто точно не знает, почему это происходит.) Во время сна эта синхронность усиливается, порождая мозговые волны с более низкой частотой и более высокой амплитудой. В течение ночного сна эти волны циклически ускоряются и замедляются — всю ночь, каждую ночь. Лумис классифицировал различные типы мозговых волн, образовав то, что впоследствии стало известно как состояния сна, и создал терминологию для описания фаз бессознательного состояния.

Электроэнцефалография стимулировала исследования сна. Измерение волн, регистрируемых на ЭЭГ, стало для нейробиологов распространённым способом оценки состояния мозга или сна человека без инвазивного хирургического вмешательства. Это стало основным методом изучения как активности нейронов во время сна, так и субъективных переживаний, таких как сновидения, которые они создают, когда мы проходим через различные формы сознания во сне.

В начале 1950-х годов физиолог Натаниэль Клейтман из Чикагского университета и его студент Юджин Асерински впервые описали стадию сна, классифицированную по быстрому движению глаз, или REM-сон — цикл, который мозг повторяет несколько раз в течение ночи, и во время которого мы склонны видеть сны. Во время быстрого сна мозговые волны быстрее, чем во время сна без быстрых движений глаз, и больше похожи на те, которые производятся, когда мы бодрствуем. Несколько лет спустя Клейтман и исследователь сна Уильям Демент, также из Чикагского университета, составили усовершенствованную схему стадий сна: четыре стадии сна без быстрых движений глаз, основанные на оригинальной работе Лумиса, и одну стадию быстрого сна. Модифицированная версия (с двумя последними стадиями без быстрых движений глаз, объединенными в одну стадию) используется и по сей день.

Однако, создавая чёткие границы, схема скрыла тонкости происходящего между ними. В этой области стало нормой, что «у вас есть три варианта: вы либо бодрствуете, либо находитесь в фазе медленного сна, либо в фазе быстрого сна», — сказал Тома Андрийон, когнитивный нейробиолог из Парижского института мозга.

Хотя существовали некоторые свидетельства того, что мозг может существовать в состоянии, сочетающем сон и бодрствование, их в значительной степени игнорировали. Считалось, что это состояние слишком сложное и изменчивое, что противоречит чётко сформулированному взгляду большинства исследователей на сон.

Но постепенно, по словам Андрийона, новая волна нейробиологов начала подвергать сомнению этот статус-кво. И они поняли: «Возможно, именно здесь и кроется интерес».

Дрейфуя

Сальвадор Дали, возможно, согласился бы.

Примерно в то время, когда Лумис проводил эксперименты с электроэнцефалографией в своём особняке, художник-сюрреалист экспериментировал со своими собственными переходами в состояние сна. Как он описал это в книге 1948 года «50 секретов магического мастерства», он сидел в «костлявом кресле, желательно в испанском стиле», небрежно держа в ладони тяжёлый ключ над перевёрнутой тарелкой на полу. По мере того, как он засыпал, его руки ослабевали, и в конце концов ключ выпадал из пальцев. Внезапный стук ключа о тарелку будил его.

Убеждённый, что возбуждение в этот период пробуждает его психическое состояние и стимулирует творческие способности, Дали садился и начинал рисовать. Другие великие умы, включая Томаса Эдисона и Эдгара Аллана По, разделяли его интерес и эксперименты с так называемым гипнагогическим состоянием — ранним периодом сна, когда мы начинаем видеть мысленные образы ещё бодрствуя.

В 2021 году группа исследователей из Парижского института мозга, включая Андрийона, обнаружила, что эти самоэкспериментаторы добились успеха. Пробуждение из этой самой ранней фазы сна, известной как N1, по-видимому, вводило людей в «творческую зону комфорта». Люди, просыпавшиеся после 15 секунд гипнагогического состояния, почти в три раза чаще обнаруживали скрытое правило в математической задаче. Пару лет спустя другое исследование под руководством Горовица из Массачусетского технологического института показало, что можно дополнительно повысить креативность у людей, выходящих из этого состояния, управляя тем, что им снится.

Не совсем ясно, почему гипнагогия, по-видимому, стимулирует креативность. Одна из возможностей заключается в том, что процесс засыпания «требует от нас ослабления контроля над нашими мыслями», – говорит Карен Конколи, изучавшая осознанные сновидения в качестве постдокторанта в Северо-Западном университете, а ныне консультирующая стартап Dust Systems (соучредителем которого является Горовиц). «По мере того, как ослабевает наш контроль над разумом, мы, возможно, получаем доступ к более широкой семантической сети информации, которая может способствовать развитию креативности». Андрильон соглашается, что переход ко сну создаёт состояние «свободного сознания», освобождающее мозг от привычных способов мышления.

Подобно тому, как дома медленно выключают свет, когда город погружается в сон, мозг постепенно переходит в ночной режим. Сон начинается в центре города: нейроны глубоко в мозге, например, в древнем центре управления, известном как гипоталамус, посылают сигналы, подавляющие активационные цепи. Первыми отключаются близлежащие области мозга, такие как таламус, который передает информацию от органов чувств к остальным его частям. Спустя несколько минут за ними следует кора головного мозга, отвечающая за более осознанное, высокоуровневое мышление. Она отключается от передней части мозга, где происходит планирование и принятие решений, до задней, где анализируются данные органов чувств, таких как зрение.

Во время этого перехода, когда одни части мозга отключаются, а другие остаются бодрствующими, мы иногда можем испытывать сновидные мысли. В этом гипнагогическом состоянии многие люди «одной ногой во сне, а другой ногой в мире», как сказал Горовиц. Некоторые слышат что-то, другие видят видения. Это похоже на сны, но более лёгкое: проекции на каркас реального мира, который всё ещё находится в пределах нашего понимания.

«Мы могли бы предположить, что у этих ментальных переживаний есть некая функция», — говорит Сидарта Рибейру, нейробиолог из Федерального университета Риу-Гранди-ду-Норти в Бразилии. «Но, возможно, её нет. Возможно, это побочный продукт того, что происходит в мозге».

С закрытыми глазами и отключенными чувствами вы больше не получаете практически никакой информации из внешнего мира. Но вы всё ещё получаете сигналы из мозга, возможно, отголоски дневного опыта. Рибейро и его команда недавно сообщили, что дневной опыт человека может проявляться в гипнагогических образах на ранних этапах погружения в сон, что дополняет другие исследования, пришедшие к аналогичным выводам.

Некоторые исследователи используют это состояние между сном и бодрствованием для изучения природы самого сознания. «Если бы можно было отслеживать, что происходит в мозге, когда человек переходит из этих двух противоположных миров, это дало бы много информации о том, как колеблется сознание», — сказал Николя Декат, аспирант, изучающий сон и сознание в Парижском институте мозга. В предварительном исследовании, которое ещё не рецензировано, Декат использовал ЭЭГ для записи мозговых волн более 100 человек во время засыпания. Следуя методикам Дали и Эдисона, он просил участников держать бутылки так, чтобы, когда они засыпали, бутылки падали и издавали звук, пробуждающий их.

Сравнивая мозговые волны участников с их самоотчетами о том, что приходило им в голову, Декат обнаружил, что некоторые сновидные образы возникали, когда они технически бодрствовали, а некоторые произвольные мыслительные процессы происходили, когда они технически спали. Например, одна участница сообщила о ползающих по её спине муравьях, в то время как ЭЭГ регистрировала быстрые и частые мозговые волны бодрствования. Другая участница сообщила о наличии осознанных мыслей о засыпании во время технического сна, основанных на медленных и редких мозговых волнах.

Неопубликованные данные свидетельствуют о том, что стадии сна могут быть не лучшим способом классификации сознания во время сна. «Бодрствование или сон не полностью определяют то, что приходит вам в голову», — сказал Декат. Эти данные «оспаривают распространённое мнение о том, что во время бодрствования у вас возникают определённые мысли. Во время сна у вас возникают образы, похожие на сновидения. Но это не обязательно так».

Переход ко сну может длиться десятки минут. Это означает, что его довольно легко изучать исследователям — гораздо проще, чем процесс пробуждения, который происходит гораздо быстрее и менее контролируемо. Гораздо сложнее предсказать, когда человек проснётся.

Доброе утро, солнышко

Орели Стефан, научный сотрудник Лозаннского университета в Швейцарии, заинтересовалась процессом пробуждения, изучая феномен, известный как парадоксальная бессонница. В отличие от людей с бессонницей, которые не спят всю ночь, люди с парадоксальной бессонницей считают, что бодрствуют всю ночь, хотя их мозговые волны показывают, что они спят. «Они спят столько же, сколько и те, кто хорошо спит… так что это загадка», — сказала Стефан.

Чтобы разобраться в этой проблеме, ей сначала нужно было изучить более типичный процесс пробуждения. Что делает мозг человека, который хорошо спит, когда он просыпается?

В недавнем исследовании она изучила более 1000 различных пробуждений или пробуждений — переходов от сна к бодрствованию — в течение нескольких секунд. Она наблюдала любопытную медленную мозговую волну у людей с хорошим сном, просыпающихся после фазы медленного сна. Основываясь на предыдущих исследованиях на животных, Стефан и её команда предположили, что эта медленная волна исходит из какой-то глубинной области мозга.

После этого сигнала она наблюдала пробуждение коры головного мозга (по мере ускорения мозговых волн) – от передней, отвечающей за исполнительные функции, до задней, где обрабатываются зрительные и другие сигналы. Когда люди просыпались после фазы быстрого сна, их кора просыпалась таким же образом, но без предшествующей медленной волны.

Стефан обнаружил, что наличие этой уникальной медленной волны коррелировало с самочувствием людей после пробуждения. Участники, у которых проявлялся этот сигнал, просыпались менее сонными, чем те, у кого его не было. Это позволяет предположить, хотя и не доказывает, что это может быть сигналом пробуждения, способствующим процессу пробуждения, сказал Стефан.

«Они проделали отличную работу, найдя эту характерную особенность переходов от сна к бодрствованию», — сказал Луис де Лесеа, молекулярный биолог, изучающий переходы во сне у животных в Стэнфордском университете и не принимавший участия в исследовании. Они создали «подробный портрет», сказал Льюис, и показали, почему «мы не всегда просыпаемся одинаково».

Тем не менее, показания ЭЭГ грубы и не могут исследовать глубокие отделы мозга или обеспечить высокую детализацию. Однако предыдущие исследования с использованием фМРТ и электродов выявили некоторые глубинные механизмы, из которых могут возникать подобные сигналы пробуждения. Было обнаружено, что нейронные сигналы к пробуждению берут начало в глубоких, внутренних областях мозга, таких как гипоталамус и ствол мозга. Эти области пробуждают таламус, который передает сигналы в кору головного мозга.

Хотя обычно пробуждение происходит быстрее, чем засыпание, оно также может занять некоторое время. У Стефана сигнал сна, проходящий от передней коры до задней, занимал несколько секунд. Однако, по её словам, восстановление сознания и когнитивных способностей, а также полное избавление от инерции сна может занять от нескольких минут до часа. Это и другие исследования также показали, что медленные волны, обычно связанные со сном, иногда могут указывать на возбуждение. Границы между ними размыты.

Даже когда мы думаем, что полностью бодрствуем и бродим по миру, некоторые части нашего мозга могут спать. Считается, что это явление, известное как локальный сон, происходит для того, чтобы перегруженные нейроны мозга могли отдохнуть и восстановить силы. Это напоминает то, как дельфины спят, используя только одно полушарие мозга, или как некоторые птицы спят в полете. Иногда, когда мы очень устали, некоторым нейронам требуется восстановление и подзарядка, даже если мы всё ещё бодрствуем и продолжаем свой день.

«Эти люди бодрствуют. Их глаза открыты. Они даже могут что-то делать», — сказал Андрильон. И всё же некоторые части их мозга находятся в состоянии классического медленного сна. Учитывая это, локальный сон бросает вызов тому, что такое «сон» на самом деле.

Проблемные переходы

Когда мы просыпаемся и засыпаем, или даже переходим из одной фазы сна в другую, одновременно возникают различные типы волн, поскольку нейроны синхронизируются и десинхронизируются в разных областях мозга, создавая какофонию ритмов. Эта мозаика может приводить к таким состояниям, как гипнагогия, осознанные сновидения и нарушения сна.

«Расстройства сна невероятно распространены, — сказал Льюис. — Они действительно часто определяются проблемами с переключением между состояниями».

Эти расстройства могут проявляться бессонницей, когда человек не может нормально заснуть, или ночными страхами, сонным параличом или лунатизмом, когда человек не просыпается вовремя. Во многих случаях участки мозга бодрствуют, когда должны спать, и наоборот.

Бессонница по сути своей является проблемой с инициированием перехода в сон или его поддержанием. При сонном параличе кора головного мозга просыпается раньше, чем более глубокие области мозга, управляющие телом, что приводит к полному сознанию без возможности двигаться. При парадоксальной бессоннице потенциальный сигнал пробуждения, который Стефан наблюдала в своем новом исследовании, слаб, «поэтому вместо того, чтобы полностью разбудить их, он заставляет их чувствовать себя бодрствующими», — сказала она. Ее команда обнаружила тот же сигнал у лунатиков, но в этих случаях это происходило «в неподходящем временном окне» во время глубокого сна, сказала она. Они также обнаружили, что активность мозга лунатиков похожа на ту, что наблюдается во время сновидений, что позволяет предположить, что оба состояния являются результатом схожих механизмов осознания сна.

Декат продолжает исследовать, как выглядит это сознание во сне. Он проводит исследование, чтобы больше узнать о ментальных переживаниях, которые испытывают люди во время засыпания. Эти мысли и ментальные образы бывает трудно вспомнить, потому что для этого нужно проснуться.

Иногда мы просыпаемся прямо при засыпании или в самом начале сна — в те моменты, когда нам не положено просыпаться. Возможно, нас беспокоит ворочающийся во сне сосед по кровати. Возможно, нас беспокоит звон ключей о твёрдый пол. Возможно, дело в самом мозге, который неправильно рассчитывает, когда именно ему следует активировать определённые зоны.

Ваше сознание во сне нарушено. Вы отходите от края сна и моргаете, открывая глаза.

Источник: www.quantamagazine.org