Ночной сканер
В продолжение тем:
Сон и бодрствование.
Зачем нужен сон.
Важность сна.
«Повелителем» сна оказался ионный канал.
Спим, чтобы забывать?
Что такое состояние сна?
Это состояние, прежде всего, характеризуется тем, что почему-то у нас ухудшается получение сигналов из внешнего мира.
Спящие, во-первых, закрывают глаза, чтобы отсечь вход зрительных сигналов из окружающего мира в мозг. Но, кроме этого, создан дополнительный механизм у нас в мозге, который во время сна блокирует проведение оставшихся импульсов, идущих от глаза в мозг человека.
Также очень сильно повышаются пороги восприятия сигналов, например, тактильных, и нужно очень сильно потрясти человека для того, чтобы он проснулся.
И вот такая картина приводила к представлению, что мозг спящего существа, спящего организма, находится в такой ситуации, которую научно или очень наукообразно называли сенсорной депривацией, то есть ситуацией, когда никакие сигналы из внешнего мира не поступают в мозг, и мозг является изолированным от внешнего мира.
Все всегда задумывались, а что это за такое удивительное состояние? До первой половины XX века объяснение было простое: сон - это, скорее всего, просто отдых мозга. Поработаем сильно физически, вроде мышцам надо отдохнуть, мозг поработал сильно в течение дня, и мозгу надо отдохнуть. Ну и было все хорошо и понятно, никто особенно и не задумывался над этой проблемой. Понятная вещь, - периодически мозгу надо отдохнуть, надо поспать.
И только в 1930-е годы двадцатого века была разработана техника, позволяющая регистрировать суммарную электрическую активность больших участков мозга или от его поверхности, или от поверхности головы, а также электрические сигналы, генерируемые отдельными нейронами мозга. С применением этой техники было сделано совершенно удивительное наблюдение, которое опровергло все ожидания и представления.
Оказалось, что мозг во время сна не только не отдыхает, а наоборот, все его нейроны работают, как правило, даже более интенсивно, чем во время бодрствования.
И вот тут возникла первая и удивительная загадка сна - "Mystery of sleep", потому что в мире исследователей сна общепризнанно, что назначение сна остается одной из величайших тайн и загадок природы.
Ганс Бергер, который в свое время открыл, что можно регистрировать электрическую активность от поверхности мозга (ЭЭГ), обнаружил такую интересную вещь: по мере того, как начинает развиваться сон, низкоамплитудная и высокочастотная электрическая активность мозга начинает меняться и появляются низкочастотные и высокоамплитудные волны так называемого медленного сна.
Верхняя запись на этом рисунке очень сжатая, на этой записи помещается пять минут. В начале животное находится в состоянии бодрствования, а со временем развивается сон. Если мы возьмем кусочек этой записи, и начнем его растягивать до двух минут, одной минуты или до десяти секунд, то вы увидите знаменитые медленные волны сна, которые дали название фазе медленно-волнового или медленного сна. Эти волны замечательно регистрируются у мышей, крыс, кошек, обезьян, людей, и выглядят более или менее одинаково.
Полагали что задачи, которые мозг решает в бодрости и во сне, принципиально отличаются, потому что даже электрическая картина становится такой удивительно различной.
Но насколько этот вывод был обоснован?
Известные различия картины ЭЭГ в бодрствовании и во сне, возможно, были связаны не с тем, что мозг находится в двух принципиально разных ситуациях, а с тем, что просто сигналы, поступающие в кору мозга в состоянии бодрствования и состоянии сна, очень разные. А если мы в состоянии бодрости подадим в мозг такой же поток сигналов, как и во сне, то мы получим такую же картину. И это, действительно, оказалось так.
Тут я вам покажу интересную картинку. Это ЭЭГ кролика:
- На верхней записи вначале кролик спит, а потом он проснулся, и амплитуда волн упала. А тут он опять заснул, и волны появились вновь.
- А вот на нижней записи кролик все время находится в состоянии чрезвычайно активного бодрствования. И на фоне этого активного бодрствования мы подаем зрительную стимуляцию неяркими вспышками света на глаз в ритме обычной сонной активности. И вы видите, что никто здесь не сможет различить, чем эта картина отличается от представленной на верхней записи.
Действительно, ЭЭГ, если мы создадим определенный поток сигналов, идущих в мозг, примет ту форму, которую имеют входящие сигналы.
Таким образом, можно было усомниться, что состояния мозга во сне и в бодрости чем-то принципиально отличаются. Скорее можно было предположить, что оно ничем принципиально не отличается, кроме как потоком входных сигналов.
Но теперь нам надо было подумать, а что это мог быть за источник таких синхронных периодических сигналов, которые поступают в кору мозга у млекопитающих и птиц во время сна.
Что у них такого общего в состоянии сна?
Первая работа, которая обратила на себя внимание, была сделана в Америке в лаборатории Аллана Рехтшаффена (Allan Rechtschaffen) на крысах. Как правило, к экспериментам с лишением сна бывают придирки, что тут проблема не в том, что вы лишаете животное сна, а то, что вы создаете ситуацию стресса. И что это все последствия стресса, а не депривации сна. Рехтшаффен сумел обойти это возражение.
Он регистрировал ЭЭГ у крыс, которые постоянно жили на диске над водой. Компьютер следил за ЭЭГ. Когда в ЭЭГ появлялись признаки засыпания, диск начинали вращаться. Если крыса пробуждалась и ЭЭГ превращалась в ЭЭГ бодрствования, то вращение прекращали. Если крыса не просыпалась, то вращение продолжалось, и крыса вскоре съезжала в воду. Она из воды вылезала опять на диск, поскольку крысы очень не любят купаться, но потом долго не могла заснуть. Это был абсолютно автоматический эксперимент. Все под компьютерным контролем.
И вот, наступал очень интересный момент. Крыса была жива, вдруг у нее становилась плоская ЭЭГ, все волны исчезали, и это был уже момент невозврата. Если тут остановить эксперимент, и дать крысе заснуть, она не отходила. Она все равно безвозвратно погибала. И они, естественно, этих погибших крыс потом начинали вскрывать и выяснять, в чем дело и что произошло.
А что произошло?
По описанию, примерно через сутки лишения сна, животные начинали есть большое количество пищи, но с большой скоростью теряли вес. На коже появлялись язвы, вылезал мех. Когда делали вскрытие, оказывалось, что весь желудочно-кишечный тракт как одна сплошная язва, там язвы желудка, язвы кишечника.
Более тщательные исследования последних лет показали, что все это, скорее всего, было результатом отключения иммунной системы, которая тоже, вдобавок ко всему, при этом выходила из строя. Но что было самое удивительное и для экспериментаторов, и для всех тех, кто читал эти работы, что был у крысы единственный орган, который практически не страдал от депривации сна.
Это был мозг!
Если все до этого думали, что сон - это, прежде всего, состояние, нужное для поддержания работы мозга, то эти эксперименты показали, что это, скорее всего, не так. Что мозг ухитряется сохранить свою работоспособность и целостность, независимо ни от каких состояний. Животное погибает, но мозг при этом еще сохраняется целым.
Ну и вот теперь давайте попробуем свести воедино две истории.
Возникла гипотеза, что, во-первых, кора мозга и во сне, и в бодрствовании, возможно, занимается одними и теми же операциями. То есть кора мозга - это не специализированный компьютер, как мы сейчас хотели бы сказать, а это есть некоторый универсальный компьютер, который делает некие операции с входной информацией, независимо от того, что туда идет. Она, может быть, и не знает, что за сорт информации туда подается. Она делает с ней какую-то операцию, и тому, кто ей отправил задачу, выдает ответ. А кто же посылает задачу во сне?
Тут, собственно, и будет самое интересное. Характер ЭЭГ, которые мы пишем, вот эти волны, которые мы регистрируем, только отражают характер входных сигналов, идущих в кору. Если они ритмичные, если они синхронизированные, то мы видим волны, если они не ритмичные и несинхронизированные, не видим волны. И тогда у нас возникает вопрос: вот мы знаем результаты экспериментов по депривации сна, животные погибли не из-за того, что у них плохой мозг, а явно от каких-то существенных висцеральных расстройств.
Слово «висцеральный» - Viscera (лат.) - внутренности, все, что у нас в животе лежит, желудок, кишечник. Слово «висцеральный» - включает все, что определяет жизнеспособность нашего тела. Не мыслительную нашу функцию, а именно сохранение нашего тела как некий живой организм.
И вот тут возникла простая, даже я бы сказал, примитивная и естественная идея.
Что происходит?
Мозг наш как некий универсальный компьютер во время бодрствования обеспечивает нашу жизнь во внешней среде. Он получает сигналы из внешнего мира чрез глаза, уши, тело, тактильную рецепцию и т.д., для того, чтобы обеспечить наше активное поведение в окружающей среде.
Но у нас есть другой мир, у нас есть внутренний мир, мир наших внутренних органов, который тоже безумно сложный, но в отличие от внешнего мира, мир наших внутренних органов не представлен в наших ощущениях. Это вопрос уже не ко мне, а скорее к конструктору нашего тела, но так было сделано, что наши внутренние органы не представлены в наших ощущениях.
Мы не чувствуем наших кишок, наших почек. Любого человека спросите, что у него внутри, он ничего вам не скажет, пока не прочтет книжку по анатомии. Но этот мир есть, он безумно сложен.
Так вот, оказалось, что только в стенках желудочно-кишечного тракта расположено столько же рецепторов, сколько в обоих сетчатках наших глаз. Эти рецепторы передают сигналы о температуре, химическом составе перевариваемой пищи, о механических изменениях там, и, видимо, о многом-многом другом, о чем мы даже догадываться не можем, потому что это не дано нам в ощущениях. Зрением мы можем посмотреть, тактильно мы можем пощупать, а что идет оттуда, мы не знаем. В мире нашего сознания не представлен наш висцеральный мир.
Но поток информации, идущий оттуда, огромен, он соизмерим с потоком зрительным.
И мы предложили очень простую гипотезу:
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. Любая биологическая система устроена так: кто не работает, того нужно съесть. И если какая-то клеточка почему-то не работает, ее тут же съедают специальные другие клеточки, которые на это и сделаны, чтобы никаких бездельников в этом сообществе биологического тела не оставалось. А они все не съедены, значит, они действительно, реально работают. Если они работают, значит, эту информацию должен кто-то анализировать.
Оказалась к этому времени удивительная картина: во всей нашей огромной коре мозга нет представительства внутренних органов, они там не представлены.
Совершенно нелепая картина!
Как можно себе такое представить?
И тогда, замечательно, все сходится одно с другим. Кора мозга у нас в бодрствовании занимается сигналами из внешнего мира, во время сна занимается сигналами из нашего внутреннего мира, от наших внутренних органов. Вот, вроде, получается гипотеза, которая позволяет все объяснить, связать одно с другим.
Наверное, нужно что-то сказать и про быстрый сон потому что, наверное, многие из вас в каких-то журнальных статьях слышали байку, что именно быстрый сон - это то состояние мозга, когда мы видим сновидения. Ну вот, во-первых, хочу вам сказать, что от этого утверждения уже практически все ученые отказались. Было сделано большое количество экспериментов, которые показали, что сновидения могут быть и в фазу медленного сна, и в фазу быстрого сна.
А что же тогда этот быстрый сон?
Быстрый сон отличается от медленного сна только тем, что там нет этих больших медленных волн. А если мы посмотрим на наши внутренние органы, то увидим, что есть внутренние органы, которые имеют явно выраженную ритмическую активность, вроде желудочно-кишечного тракта (ЖКТ), дыхания, сердца. А есть органы, которые не имеют ритмической активности, - печень, почки, репродуктивная система, сосудистая система, лимфатическая система. Там нет столь очевидной ритмики.
Так вот, скорее всего, просто-напросто, мозг проводит во время одного цикла сна некоторое поочередное сканирование всех частей нашего тела. Когда он сканирует те части тела, которые имеют ритмическую активность, мы видим волны ЭЭГ.
Когда мы приходим к органам, которые не имеют ритмической активности, она становится такая неритмическая, мы ее называем «быстрым сном».
Схема показывающая организацию информационных потоков в мозге при переходе от бодрствования ко сну:
Левая половина - это то, что происходит в состоянии бодрствования.
Во время бодрствования сигналы из окружающей среды через, так называемые, экстеро-рецепторы (это все сенсоры, получающие сигналы из внешнего мира) попадают в кору мозга. По дороге они проходят через некоторое устройство, которое можно назвать «вентильное устройство» или «блокирующее устройство».
Смысл его состоит в том, что входы от рецепторов никогда не идут прямо в кору, это медицинский факт. Они проходят через специальную промежуточную структуру, которая называется «таламус». И там происходит переключение сигналов с одного нейрона на другой нейрон, и вот там, где происходит это переключение, можно сигнал передать, а можно сигнал не передать.
И вот для этого существует вот такое устройство, которое может по некоторому внешнему сигналу открыть проведение или закрыть проведение. Это таламический уровень. Во время бодрствования эти сигналы пропускаются в кору мозга для анализа, тут они анализируются и выдаются результат.
Куда?
Выдается в два блока, один блок связан с нашим сознанием, ощущением и нашим восприятием, и ощущением себя во внешнем мире. Второй блок связан с обеспечением поведения и двигательной активности.
Тут возможно возникновение недоумения. Все со школы знают, что с сознанием, с памятью, со всеми сложными высшими когнитивными функциями связана кора. Но именно работа со сном ставят под сомнение это общепризнанное заключение.
Мы прекрасно знаем, что во время сна сознание выключено. Нейроны в коре мозга во время сна так же активны, как во время бодрости. Если бы сознание было связано с активностью нейронов коры, то, видимо, оно должно было быть активно и во время сна. Никакой разницы в активности нейронов в коре мозга во сне и в бодрости нет, как я вам пытался показать до этого. Значит, надо предположить и заключить, что или сознание не связано с нейронной активностью, или нейроны, связанные с сознанием, локализованы не в коре.
С этой логикой были поставлены специальные эксперименты. Одна американская команда занималась визуализацией интенсивности нейронной активности в мозге с помощью магнитно-резонансной томографии (МРТ) или позитронной томографии. Они смотрели, какие отделы мозга в каких ситуациях работают. И у них была та же самая логика «Будем искать отделы сознания. Мы знаем, что сознание во время сна не работает, вот посмотрим, где же те зоны мозга, которые не работают во время сна, а работают только в бодрости». Они сделали эти эксперименты, сразу же увидели, что кора не подходит, кора работает одинаково хорошо. А нашлись специальные структуры, которые называются «базальные ганглии», нейроны в которых именно так себя и ведут. Они активны в бодрости и молчат во сне.
Параллельные независимо от них мы ставили такие же электрофизиологические эксперименты, и тоже показали, что действительно, нейроны базальных ганглиев, которые получают все входы от коры, во время бодрствования активны. Но эта активность прекращается во время сна.
Очень хорошо все сходится к тому, что если сознание у нас в мозге где-то локализованное, то это уже не кора, а вот эти структуры базальных ганглиев.
Почему не соединить блоки сознания и поведение в один?
Есть эксперименты, свидетельствующие, что это разные отделы мозга, которые могут работать независимо один от другого.
Есть еще наш внутренний мир - внутренние органы, которые через интерорецепторы передают сигналы в нервную систему, которая называется автономная нервная система. Действительно, это признанный медицинский термин, потому что все считали, что да, она автономная, не имеет связи с головой, с корой мозга, и занимается внутренними маркерами. Она маленькая, нейронов там не так много. Совершенно понятно, что такой гигантский поток информации, который идет от внутренних органов, это бедная автономная нервная система перелопатить не в состоянии. Но она в состоянии поддерживать работоспособность внутренних органов в течение небольшого времени.
Другой минус этой автономной нервной системы состоит в том, что она знает только то, что делается в том органе, за который ее кусочек ответственен. Вот есть у нее ганглий, который сидит в желудке. Он знает все про это место желудка, но совершенно не знает то, что происходит в почках, в печени или в других частях. А вот такого места, которое бы собрало сведения о всех наших внутренних органах и начало их координировать, в автономной нервной системе нет, и она, бедная, поэтому такие сложные задачи решать не может.
А во время сна у нас активно перекрываются входы из внешнего мира.
Теперь сигналы из внешнего мира в кору мозга не поступают, мы установили блок на этом пути. Но во сне на те же самые нейроны, по тем же самым волокнам, через таламус, начинают поступать сигналы, идущие от внутренних органов. Они тут обрабатываются в блоке, который мы назовем «корой мозга», но теперь результат этой обработки, естественно, не надо нам посылать на сознание и на поведение, потому что, как мы говорили, у нас внутренние органы в сознании не представлены. Эти сигналы в сознание бессмысленно посылать. Не надо их посылать и в структуры, организующие движения и поведение.
Известно, что есть специальный механизм, который блокирует выходы из двигательной коры на мото-нейроны во время сна, чтоб сигналы из коры во время сна на движение не шли. Но во время сна нужно открыть выход в некоторый отдел мозга, который назовем «ассоциативная висцеральная регуляция», и теперь обработанные в коре мозга сигналы от всех висцеральных систем будут собираться в этом блоке. Будет разрабатываться оптимальная стратегия для восстановления работоспособности того, что поломалось за прошедший день, и эти сигналы, пойдут обратно во внутренние органы, будет функционировать вот эта половина картинки.
Когда все будет в порядке и все параметры всех внутренних органов будут приведены в норму, пойдет сигнал, что можно просыпаться, и система опять перекинется в состояние бодрствования. И вот так эта система будет работать в настоящем, здоровом, хорошем молодом организме. Вмиг, очень быстро переходить в бодрость, от бодрости ко сну, и все проводящие пути будут посылать свои сигналы туда, куда нужно.
Но это бывает не часто и не всегда, и чем больше наш возраст, тем больше вероятность того, что что-то тут начнет быть не совсем в порядке. Потому что мы должны помнить, что каждое блокирующее устройство, которое стоит на этом пути, это химическое устройство. Там синтезируются определенные химические вещества, через посредничество которых может открываться или закрываться проведение по тем или иным каналам. А это уже делает их очень уязвимыми и зависимыми.
У нас чего-то хронически не хватает в еде, у нас нет какого-то вещества для того, чтобы синтезировать нужный медиатор, который работает в этой системе, его стало меньше, и этот блок стал работать хуже, и тогда, потенциально, что у нас может быть? У нас может оказаться, что сигналы, идущие от внешнего мира, начнут использоваться в управлении внутренними органами. Или может случиться, что сигналы, идущие от внутренних органов, по ошибке будут заходить в нашу зону сознания и нашу зону поведения. Вот такая прелесть тоже может быть.
Первое, что в такой системе легко объяснить, это механизм возникновения сновидений. Достаточно представить себе, что по той или иной причине блок выхода на вентиль на пути в сознание оказался не до конца закрыт.
Связано это может быть, например, с тем, что мы были днем сильно возбуждены, не готовы спать, а все время перемалываем в голове какую-то ерунду, которая днем случилась, и поддерживаем в активности состояние сознания. И теперь, замечательным образом, сигналы, идущие от висцеральной системы, начинают забрасываться в блок сознания.
Но ведь, по нервному волокну идет электрический импульс, он не имеет ни цвета, ни вкуса, ни запаха, и никто не знает, что там записано. Знает это только тот, кто его послал, и тот, кому он пришел. А так по пути это обычный импульс. И когда этот импульс приходит в сознание, он воспринимается как сигнал, пришедший из внешнего мира. И теперь вот эти самые случайные запросы сигналов из висцеральной сферы, попадающие в отдел сознания, будут вызывать у нас некие случайные, самые странные видения. А там уже дальше работает свой механизм ассоциаций.
И здесь этот блок сознания внутри наполнен своими ассоциативными связями, в которых есть свои разрешенные пути и не разрешенные пути. Эти висцеральные сигналы запустили какую-нибудь ерунду, и она начинает себе крутиться, и крутится, пока не затухнет. Тут можно много фантазировать, но скорее всего, видно, что сновидения - это момент переходного состояния, когда этот блок или не дозакрылся, или в момент пробуждения уже немножко приоткрылся. И тогда мы видим эти странные явления, называемые сновидениями.
Не только сновидения объясняются легко.
Интересно рассказать про такую вещь, которая тоже всем нравится. Это явление сомнамбулизма, также связанное со сном. Действительно, удивительная штука, встречается часто у мальчиков в юности, иногда сохраняется и до взрослого состояния, хотя во взрослом состоянии проявляется редко. Люди ночью вдруг просыпаются, встают и идут в самых разных направлениях. Пройти из одной комнаты в другую, могут опять лечь на коврик и заснуть. Могут выйти из квартиры и уйти на другой конец города. Когда они идут, у них открыты глаза, они не натыкаются на предметы, у них хорошо координированы движения, ничего не заподозришь.
Единственное, что они при этом не имеют никакого представления об окружающем мире, они его не воспринимают. Это единственное, чем хорош сомнамбулизм, он говорит, что сознание от движения отделено, это отдельная коробочка.
Выход на сознание у нас оказался закрыт, а поведение двигательное открылось. Мы проснулись уже, эта система работает, а сознание перекрыто.
Но существует и другая вещь, прямо противоположная сомнамбулизму. Это паралич сна. Тоже очень часто встречающаяся вещь. Наверное, можно сказать, что каждый испытывал это ощущения в той или иной степени.
Что здесь происходит?
Прямо обратная картина, проснулся человек, у него открылся вход из внешнего мира, включилось сознание, он прекрасно воспринимает окружающую среду, все видит, все понимает, но не может пошевелить ни одной мышцей своего тела, у него полная атония, и он лежит абсолютно неподвижно. Это может длиться разное время, может пройти 10 секунд, 20 секунд, минута, до 10 минут такие эпизоды бывают. Потом постепенно восстанавливается движение, человек встает и начинает нормально двигаться.
Наша схема тоже очень просто объясняет механизм возникновения паралича сна.
У нас есть блокирующее устройство на пути от моторных команд к исполнительным мышечным механизмам. Почему оно иногда открывается больше или меньше, непонятно. Похоже, что это место очень уязвимое. Есть такая болезнь, сейчас, к сожалению, ставшая очень распространенной, называется «синдром беспокойных ног».
Люди засыпают, и вдруг в момент засыпания начинают дергаться ноги. Люди не могут никак заснуть, потому что как только они засыпают, у них начинается дерганье ног. Вот это тоже связано с тем, что этот блок не закрывается достаточным образом, и как только начинают поступать сюда висцеральные сигналы, они приводят к сокращениям мышц ног.
/Источник/
Click to view