сны о чем-то большем
Существует очень привлекательная теория, объясняющая зачем нужен сон: для закрепления памятного следа путем «проигрывания» новообразовавшихся за день связей в коре и гиппокампе. Эта гипотеза объясняет также и сны, как результат одновременного вопроизведения разных памятных следов. Эта идея многим нравится, потому что нас всех чертовски интересуют сны (правда, только свои) и мы весьма дорожим своей памятью как основой личности.
Проблема в том, что приняв консолидацию памяти в качестве основного назначения сна, нам также придется признать, что опоссум, который спит 19 часов в сутки, имеет очень бурную жизнь и ему, в отличие от нас, есть что помнить. Или наоборот, у него большие трудности с запоминанием и ему нужно на это дело много времени. Но тогда сразу оказывается, что по скорости запоминания нам не сравниться с ослами. Ослы спят 3 часа.
Хорошая теория должна объяснять максимально возможное количество известных фактов. Пробежимся по фактам.
Достоверно известно, что спят все млекопитающие и птицы. Близкий к нашему сон также обнаруживается у высокоразвитых рептилий. А вот дальше начинаются трудности. Дело в том, что мы умеем достоверно определять сон только когда можем регистрировать энцефалограмму (ЭЭГ - суммарную электрическую активность мозга). Кроме того, полезно также иметь окулограмму (запись движений глаз), миограмму (активность мышц) и кардиограмму. Есть два принципиально разных компонента сна: медленноволновой и парадоксальный. Медленноволновой сон характеризуется высокоамплитудными колебаниями ЭЭГ с частотой - 0.5 - 4 Гц. В это время мышцы расслаблены, но их тонус сохраняется. Глаза либо неподвижны, либо очень медленно дрейфуют. Сердечный ритм падает. Во время парадоксального сна картина резко меняется: в ЭЭГ высокочастотная низкоамплитудная активность, мышцы фактически парализованы (атония мышц), а глаза совершают резкие очень быстрые скачки с нехарактерными для бодрости размахом и скоростью. Часто наблюдается аритмия - нерегулярность сердечной деятельности. Чередование медленноволнового и парадоксального сна есть у всех плацентарных млекопитающих.
Медленные ритмы во сне генерируются между таламусом и корой, так что у животных не имеющих коры их будет сложновато найти. Не говоря уже о тех, у кого нет не только коры, но и таламуса. Поэтому применительно к таким животным мы можем говорить только о сноподобных состояниях, в которых поведенчески мы наблюдаем все то же самое, что у животных с «настоящим» сном:
- циклическое чередование состояний активности и покоя с характерными временами,
- меньшая способность отвечать на стимул в состоянии покоя (например, негромкий, но неожиданный звук в бодрости привлекает внимание и вызывает ориентировочную реакцию, а во сне - нет),
- увеличение длительности состояния покоя, если состояние активности искусственно продлено,
- продление периодов бодрости и покоя как реакция на стимуляторы и успокоительные (например, даже дрозофилы от кофеина бодрятся),
и т.д. В таком виде сон наблюдается почти у всех животных, от рыб до червей. При этом довольно сомнительно, что необходимость в запоминании и система хранения памятного следа у человека и нематоды одинаковы.
Очевидный способ проверить, зачем нужен какой-то процесс - посмотреть, что случается в его отсутствие. Самый удачный метод депривации сна придумал Rechtschaffen, это метод «диск над водой»: две крысы живут на диске, расположенном над емкостью с водой, емкость разделена вертикальной перегородкой, немного не доходящей до поверхности диска; обеим крысам имплантированы электроды, с которых регистрируется ЭЭГ; одну из крыс лишают сна с помошью программы, анализирующей ЭЭГ, программа запускает медленное вращение диска каждый раз, когда на ЭЭГ регистрируется сон, при этом крыса вынуждена проснуться и начать передвигаться, иначе перегородка сбросит ее в воду; вторая крыса является контролем, т.к. движение диска в основном с ее сном не совпадает. В этой установке проводилось множество экспериментов с полной депривацией сна, я здесь приведу обобщенную картину.
Полная депривация сна неизбежно вызывает гибель животных через 2-3 недели. При депривации сна крысы теряют вес на фоне увеличивающегося потребления пищи. У них появляются изъязвления на коже и выпадает шерсть. Температура тела сперва повышается, затем начинает падать. Энергетический обмен становится крайне неэффективен (потеря тепла и массы тела на фоне увеличения притока калорий). У крыс разлаживается терморегуляция, они явно начинают мерзнуть, и в режиме свободного выбора температуры окружающей среды они доводят температуру клетки до 37 градусов, хотя без депривации сна их комфортный уровень около 26 градусов. Иногда у депривированных крыс возникает заражение крови, предположительно из-за ухудшения барьерных свойств желудочно-кишечного тракта. Однако, антибиотики не предотвращают смерть крыс от депривации сна. Причина смерти крыс остается неясной. Возможно, она просто не одна, слишком много систем портится одновременно.
К удивлению исследователей, мозг крыс оказался практически неповрежден депривацией сна. Влияние депривации сна на мозг узучали несколькими методами: проводилась оценка уровня фрагментации ДНК в результате возможного окислительного стресса (TUNEL technique), специальная окраска срезов мозга красителями, чувствительными к деградации нейронов (Fluoro-Jade), оценка экспрессии генов ответа на стресс и генов, связанных с апоптозом (программируемой смертью клеток). Никаких отличий от контроля у депривированных крыс не было обнаружено. То есть, если при депривации сна что в организме и оказывается более-менее неповрежденным, то это мозги.
На людях проводились эксперименты с частичной депривацией сна. При четырехчасовом сне в течении 6 дней у людей возникают расстройства энергетического обмена, особенно утилизации глюкозы. Анализ влияния на организм человека привычного снижения количества сна на больших выборках выявил, что систематическое ограничение сна до 6 часов в сутки ведет к ожирению (вероятно, вследствие гиперкомпенсации ухудшения обмена веществ увеличением количества съедаемой пищи), проблемам с пищеварительным трактом и сердечно-сосудистой системой (а вовсе не к ранней деменции). У людей, вынужденных постоянно менять ритм сна и бодрствования (например, у работающих сутки-через-двое) возникаю язвенные колиты и другие нарушения работы кишечника.
Разумеется, при депривации сна страдает и память. Но с такими основными эффектами депривации как-то странно считать, что основная функция сна - укрепление памяти. В конце концов, сон много чего улучшает. Например, после сна пропадает краснота глаз, но никто почему-то не говорит, что сон нужен для ликвидации красноглазости. Кроме того, консолидация памяти прекрасно происходит и безо всякого сна: если выучить стишок с утра, вам не нужно спать, чтобы вспомнить его вечером. Сон явно нужен для ликвидации каких-то метаболических проблем, но мы пока не знаем ни каких именно проблем, не как происходит их ликвидация.
Таким образом, в пространстве гипотез у нас остается только две опции:
1. мухи отдельно, котлеты отдельно: у тела во время бодрствования накапливаются метаболические проблемы, которые надо решать, тело их решает, а мозг «в свободное время» занят чем-то своим, например, реогранизацией памяти;
2. котлеты привлекают мух: мозг периодически переходит в принципиально другой режим активности неспроста, в это время он занят решением метаболических проблем всего тела.
Вариант «котлеты привлекаются мухами», как мне кажется, рассматривать смысла нет.
P.S. Юношам (и девушкам), обдумывающим житье: если вам было бы интересно заниматься изучением сна, я могу вас пристроить в одну хорошую лабораторию в Москве. То есть, вы мне напишете личное сообщение, и я вам устрою собеседование. Сгодится биолог, физик или медик, можно на курсовую, диплом или диссер.
______________________________________________
Rechtschaffen, A, and Bergmann, BM,
Sleep Deprivation in the Rat: An Update of the 1989 Paper.
SLEEP, 2002
Cirelli C, Shaw PJ, Rechtschaffen A, Tononi G.
No evidence of brain cell degeneration after long-term sleep deprivation in rats.
Brain Res. 1999
Keefer L, Stepanski EJ, Ranjbaran Z, Benson LM, Keshavarzian A
An initial report of sleep disturbance in inactive inflammatory bowel disease.
J. Clin. Sleep Med., 2006
Knutson KL, Turek FW, 2006. The U-shaped association between sleep and health: the 2 peaks do not mean the same thing. Sleep, 29, 881-889.
Levy P, Tamisier R, Arnaud C, Monneret D, Baguet JP, Stanke-Labesque F, Dematteis M, Godin-Ribuot D, Ribuot C, Pepin JL.
Sleep deprivation, sleep apnea and cardiovascular diseases.
Biosci (Elite Ed). 2012
William C. Orr
Esophageal function during sleep: Another danger in the night.
Sleep Medicine, 2007
Francesco P. Cappuccio, Daniel Cooper, Lanfranco D’Elia, Pasquale Strazzullo, and Michelle A. Miller
Sleep duration predicts cardiovascular outcomes: a systematic review and meta-analysis of prospective studies
European Heart Journal, 2011
Ji D & Wilson MA
Coordinated memory replay in the visual cortex and hippocampus during sleep
Nature Neuroscience, 2007
Raizen DM, Zimmerman JE, Maycock MH , Ta UD, You Y, Sundaram MV & Pack AI
Lethargus is a Caenorhabditis elegans sleep-like state.
Nature, 2008.
Проблема в том, что приняв консолидацию памяти в качестве основного назначения сна, нам также придется признать, что опоссум, который спит 19 часов в сутки, имеет очень бурную жизнь и ему, в отличие от нас, есть что помнить. Или наоборот, у него большие трудности с запоминанием и ему нужно на это дело много времени. Но тогда сразу оказывается, что по скорости запоминания нам не сравниться с ослами. Ослы спят 3 часа.
Хорошая теория должна объяснять максимально возможное количество известных фактов. Пробежимся по фактам.
Достоверно известно, что спят все млекопитающие и птицы. Близкий к нашему сон также обнаруживается у высокоразвитых рептилий. А вот дальше начинаются трудности. Дело в том, что мы умеем достоверно определять сон только когда можем регистрировать энцефалограмму (ЭЭГ - суммарную электрическую активность мозга). Кроме того, полезно также иметь окулограмму (запись движений глаз), миограмму (активность мышц) и кардиограмму. Есть два принципиально разных компонента сна: медленноволновой и парадоксальный. Медленноволновой сон характеризуется высокоамплитудными колебаниями ЭЭГ с частотой - 0.5 - 4 Гц. В это время мышцы расслаблены, но их тонус сохраняется. Глаза либо неподвижны, либо очень медленно дрейфуют. Сердечный ритм падает. Во время парадоксального сна картина резко меняется: в ЭЭГ высокочастотная низкоамплитудная активность, мышцы фактически парализованы (атония мышц), а глаза совершают резкие очень быстрые скачки с нехарактерными для бодрости размахом и скоростью. Часто наблюдается аритмия - нерегулярность сердечной деятельности. Чередование медленноволнового и парадоксального сна есть у всех плацентарных млекопитающих.
Медленные ритмы во сне генерируются между таламусом и корой, так что у животных не имеющих коры их будет сложновато найти. Не говоря уже о тех, у кого нет не только коры, но и таламуса. Поэтому применительно к таким животным мы можем говорить только о сноподобных состояниях, в которых поведенчески мы наблюдаем все то же самое, что у животных с «настоящим» сном:
- циклическое чередование состояний активности и покоя с характерными временами,
- меньшая способность отвечать на стимул в состоянии покоя (например, негромкий, но неожиданный звук в бодрости привлекает внимание и вызывает ориентировочную реакцию, а во сне - нет),
- увеличение длительности состояния покоя, если состояние активности искусственно продлено,
- продление периодов бодрости и покоя как реакция на стимуляторы и успокоительные (например, даже дрозофилы от кофеина бодрятся),
и т.д. В таком виде сон наблюдается почти у всех животных, от рыб до червей. При этом довольно сомнительно, что необходимость в запоминании и система хранения памятного следа у человека и нематоды одинаковы.
Очевидный способ проверить, зачем нужен какой-то процесс - посмотреть, что случается в его отсутствие. Самый удачный метод депривации сна придумал Rechtschaffen, это метод «диск над водой»: две крысы живут на диске, расположенном над емкостью с водой, емкость разделена вертикальной перегородкой, немного не доходящей до поверхности диска; обеим крысам имплантированы электроды, с которых регистрируется ЭЭГ; одну из крыс лишают сна с помошью программы, анализирующей ЭЭГ, программа запускает медленное вращение диска каждый раз, когда на ЭЭГ регистрируется сон, при этом крыса вынуждена проснуться и начать передвигаться, иначе перегородка сбросит ее в воду; вторая крыса является контролем, т.к. движение диска в основном с ее сном не совпадает. В этой установке проводилось множество экспериментов с полной депривацией сна, я здесь приведу обобщенную картину.
Полная депривация сна неизбежно вызывает гибель животных через 2-3 недели. При депривации сна крысы теряют вес на фоне увеличивающегося потребления пищи. У них появляются изъязвления на коже и выпадает шерсть. Температура тела сперва повышается, затем начинает падать. Энергетический обмен становится крайне неэффективен (потеря тепла и массы тела на фоне увеличения притока калорий). У крыс разлаживается терморегуляция, они явно начинают мерзнуть, и в режиме свободного выбора температуры окружающей среды они доводят температуру клетки до 37 градусов, хотя без депривации сна их комфортный уровень около 26 градусов. Иногда у депривированных крыс возникает заражение крови, предположительно из-за ухудшения барьерных свойств желудочно-кишечного тракта. Однако, антибиотики не предотвращают смерть крыс от депривации сна. Причина смерти крыс остается неясной. Возможно, она просто не одна, слишком много систем портится одновременно.
К удивлению исследователей, мозг крыс оказался практически неповрежден депривацией сна. Влияние депривации сна на мозг узучали несколькими методами: проводилась оценка уровня фрагментации ДНК в результате возможного окислительного стресса (TUNEL technique), специальная окраска срезов мозга красителями, чувствительными к деградации нейронов (Fluoro-Jade), оценка экспрессии генов ответа на стресс и генов, связанных с апоптозом (программируемой смертью клеток). Никаких отличий от контроля у депривированных крыс не было обнаружено. То есть, если при депривации сна что в организме и оказывается более-менее неповрежденным, то это мозги.
На людях проводились эксперименты с частичной депривацией сна. При четырехчасовом сне в течении 6 дней у людей возникают расстройства энергетического обмена, особенно утилизации глюкозы. Анализ влияния на организм человека привычного снижения количества сна на больших выборках выявил, что систематическое ограничение сна до 6 часов в сутки ведет к ожирению (вероятно, вследствие гиперкомпенсации ухудшения обмена веществ увеличением количества съедаемой пищи), проблемам с пищеварительным трактом и сердечно-сосудистой системой (а вовсе не к ранней деменции). У людей, вынужденных постоянно менять ритм сна и бодрствования (например, у работающих сутки-через-двое) возникаю язвенные колиты и другие нарушения работы кишечника.
Разумеется, при депривации сна страдает и память. Но с такими основными эффектами депривации как-то странно считать, что основная функция сна - укрепление памяти. В конце концов, сон много чего улучшает. Например, после сна пропадает краснота глаз, но никто почему-то не говорит, что сон нужен для ликвидации красноглазости. Кроме того, консолидация памяти прекрасно происходит и безо всякого сна: если выучить стишок с утра, вам не нужно спать, чтобы вспомнить его вечером. Сон явно нужен для ликвидации каких-то метаболических проблем, но мы пока не знаем ни каких именно проблем, не как происходит их ликвидация.
Таким образом, в пространстве гипотез у нас остается только две опции:
1. мухи отдельно, котлеты отдельно: у тела во время бодрствования накапливаются метаболические проблемы, которые надо решать, тело их решает, а мозг «в свободное время» занят чем-то своим, например, реогранизацией памяти;
2. котлеты привлекают мух: мозг периодически переходит в принципиально другой режим активности неспроста, в это время он занят решением метаболических проблем всего тела.
Вариант «котлеты привлекаются мухами», как мне кажется, рассматривать смысла нет.
P.S. Юношам (и девушкам), обдумывающим житье: если вам было бы интересно заниматься изучением сна, я могу вас пристроить в одну хорошую лабораторию в Москве. То есть, вы мне напишете личное сообщение, и я вам устрою собеседование. Сгодится биолог, физик или медик, можно на курсовую, диплом или диссер.
______________________________________________
Rechtschaffen, A, and Bergmann, BM,
Sleep Deprivation in the Rat: An Update of the 1989 Paper.
SLEEP, 2002
Cirelli C, Shaw PJ, Rechtschaffen A, Tononi G.
No evidence of brain cell degeneration after long-term sleep deprivation in rats.
Brain Res. 1999
Keefer L, Stepanski EJ, Ranjbaran Z, Benson LM, Keshavarzian A
An initial report of sleep disturbance in inactive inflammatory bowel disease.
J. Clin. Sleep Med., 2006
Knutson KL, Turek FW, 2006. The U-shaped association between sleep and health: the 2 peaks do not mean the same thing. Sleep, 29, 881-889.
Levy P, Tamisier R, Arnaud C, Monneret D, Baguet JP, Stanke-Labesque F, Dematteis M, Godin-Ribuot D, Ribuot C, Pepin JL.
Sleep deprivation, sleep apnea and cardiovascular diseases.
Biosci (Elite Ed). 2012
William C. Orr
Esophageal function during sleep: Another danger in the night.
Sleep Medicine, 2007
Francesco P. Cappuccio, Daniel Cooper, Lanfranco D’Elia, Pasquale Strazzullo, and Michelle A. Miller
Sleep duration predicts cardiovascular outcomes: a systematic review and meta-analysis of prospective studies
European Heart Journal, 2011
Ji D & Wilson MA
Coordinated memory replay in the visual cortex and hippocampus during sleep
Nature Neuroscience, 2007
Raizen DM, Zimmerman JE, Maycock MH , Ta UD, You Y, Sundaram MV & Pack AI
Lethargus is a Caenorhabditis elegans sleep-like state.
Nature, 2008.