Мозговые процессы во время сна
Мозг во время сна: активность выше, сознание ниже
Швейцарские исследователи установили, что перед стадией глубокого сна активность между различными функциональными сетями мозга увеличивается, однако это не приводит к эффективной коммуникации. Именно этот факт, по всей видимости, обуславливает нарушение сознания и неспособность адекватного усвоения информации. Наблюдения за спящим мозгом, опубликованные в журнале iScience, могут помочь ученым чуть лучше понять нейрональные основы сознания.
Графический абстракт статьи показывает ее основные выводы и парадокс: глобальная активность функциональных сетей мозга оказывается выше во время второй стадии медленного сна (N2), но при этом эффективность связей резко снижается. Credit:Anjali Tarun et al. / iScience 2020
Сон по-прежнему остается одной из самых неизученных нейрофизиологических функций, и очередной пробел здесь попытались восполнить исследователи из Федеральной политехнической школы Лозанны. Используя функциональную магнитно-резонансную томографию (фМРТ) и электроэнцефалографию (ЭЭГ), они пронаблюдали за активностью спящего мозга и обнаружили весьма любопытный феномен.
Сон на основе ЭЭГ-активности мозга принято разделять глобально на медленный и быстрый и более частно – на пять стадий, где четыре условно имеют отношение к медленному сну (от первой поверхностной до четвертой глубокой), а пятая сама по себе является быстрым сном. Активность мозга при быстром сне напоминает бодрствование, но при этом мышцы максимально расслаблены, активны лишь мышцы глазных яблок, поэтому эту стадию еще называют сном с быстрым движением глаз. При медленном же сне активность мозга постепенно снижается, достигая минимума при третьей-четвертой стадии, но в это время нейронные сети максимально синхронизируются – наблюдается медленноволновая дельта-активность.
Так вот, чтобы понять, как «ведут» себя функциональные сети мозга, как они взаимодействуют между собой в процессе перехода от бодрствования ко сну, ученые использовали относительно новый подход – паттерны коактивации, основанные на инновациях (innovation-driven co-activation patterns, iCAPS). Суть этого подхода в том, что фиксируется временнАя активность мозга, то есть физиологически значимые моменты региональной активации и деактивации, а не фактическое время активности каждой сети. Это позволило исследователям восстановить те сети покоя мозга, которые перекрываются во время сна и бодрствования как во времени, так и в пространстве, обеспечивая более правдоподобное и, следовательно, предположительно более точное описание «сонной» функциональной организации мозга.
Как выяснилось при одновременных фМРТ и ЭЭГ-наблюдениях, во второй стадии сна интеграция всех функциональных сетей мозга, вопреки ожиданиям, нарастала. То есть между ними увеличивалось количество «запросов» и попыток связи. Но при этом эффективность обработки сигналов снижалась, и постепенно глобальная активность мозга и функциональная связность между его отделами падала к третьей и четвертой фазам сна, приводя к полной потере сознания.
Исследователи отметили, что нестабильность функциональной синхронизации сетей, отвечающих за когнитивные процессы и, условно, сознание, начинается уже во второй фазе, но при этом активность между сетями повышается, как бы пытаясь это компенсировать. Но чем глубже мозг погружается в сон, тем больше нарушается взаимодействие между сетями мозга.
Ученые надеются, что разобравшись в том, что происходит с мозгом во сне, они смогут приблизиться к пониманию устройства сознания и что-то осознанно предпринимать во время его нарушений.
Текст: Анна Хоружая
NREM sleep stages specifically alter dynamical integration of large-scale brain networks by Anjali Tarun et al. in iScience. Published December 2020
Что происходит с мозгом ночью, и почему полноценный сон — это еще важнее, чем вы думали
Подписаться
Поделиться
На самом деле, худшее что вы можете сделать для своего организма и в частности мозга — это несерьезно относиться ко сну. Публикуем отрывок из книги нейробиолога Митху Сторони «Без стресса. Научный подход к борьбе с тревожностью, депрессией и выгоранием» о том, как настроить свои биологические часы на нужный режим, легко засыпать и просыпаться.
У каждого из нас наутро немного другой мозг по сравнению с тем, каким он был вчера. Рациональный мозг управляет поведением с экспертной точностью, секунда за секундой, но лишь когда мы бодрствуем. Эта отточенная система действий стимулирует бурную активность: формируются новые нейронные сети и синапсы. Чем дольше мы бодрствуем, тем дольше пребываем в состоянии интенсивной активности и роста. Но рано или поздно мозг устает и нуждается в передышке. После долгой поездки мы отвозим автомобиль в мастерскую для профилактики, мойки и замены запчастей. Сон — такая же мастерская для организма и совершенно необходимая мера. Во время сна мозг совершает своего рода инвентаризацию. Дорабатываются и укрепляются нейронные связи и синапсы, а все лишнее удаляется. Одни воспоминания усиливаются, другие ослабляются. И к тому времени, как мы просыпаемся, мозг выглядит совсем иначе. Во сне также происходит «очистка». Мозг окружен системой орошения, известной как глимфатическая система. С ее помощью происходит перераспределение полезных веществ и удаление «отходов». Эксперименты на животных показали, что глимфатическая система более активна во сне, чем во время бодрствования. Астроциты — крупные клетки звездчатой формы, стимулирующие рост мозговых клеток и синапсов, — тоже участвуют в ее работе и, если мозг долгое время находится в состоянии бодрствования и активности, перераспределяются. Это иногда приводит к незначительному отеку мозга, исчезающему после крепкого ночного сна.
Когда мы спим, мозг проходит несколько стадий. В первой стадии глаза быстро движутся из стороны в сторону — это фаза быстрого сна (БДГ). Другая стадия называется медленным сном. Всю ночь мы курсируем между этими двумя стадиями, а также другими состояниями. И чем больше человек бодрствует, тем сильнее его мозг нуждается в медленном сне. Если лечь спать после суток бодрствования, период медленного сна увеличится. У пациентов, страдающих депрессией, фаза медленного сна короче обычного — именно этим объясняется тот факт, что симптомы депрессии временно облегчаются, если всю ночь не спать, а на следующую ночь крепко заснуть.
Засыпание и пробуждение
Продолжим аналогию сна с автомастерской для мозга: чем больше и труднее проделанный путь, тем сильнее мозг нуждается в рутинном поддерживающем ремонте. Чем дольше вы бодрствуете, тем дольше мозг пребывает в состоянии мыслительной активности и тем выше его потребность в сне. С момента пробуждения утром начинает копиться ваш «долг по сну». Он постоянно увеличивается, и к вечеру вы уже ждете не дождетесь, когда можно будет расплатиться. Но тут есть одна загвоздка: мозг работает в 24-часовом режиме, и сколько бы «долга» у вас ни накопилось, вы не сможете уснуть в непривычное для вас время. Биологические часы подобны пунктуальному охраннику, который сторожит ворота в страну, куда вы пытаетесь попасть, — мир бодрствования или мир сна. К концу вечера «долг» накапливается и напоминает о себе неважным самочувствием, но внутренний охранник не пустит вас в страну сна, пока не настанет подходящее, с его «точки зрения», время. А примерно к четырем утра вы отдаете «долг», но попасть в страну бодрствования вам тоже не разрешают — биологические часы заставляют вас спать еще несколько часов.
Если у вас накопился большой «долг по сну», а биологические часы разбалансировались, вы не заснете. Если же они работают идеально, но «долг» еще не накопился (например, вы вздремнули днем), вы тоже не сможете уснуть. Чтобы обеспечить крепкий ночной сон, необходимо заботиться о своих биологических часах.
Активность и работа мозга во время сна
Увеличьте свою работоспособность, улучшите память, концентрацию и внимание
Достижение целей, прилив сил, выполнение планов на работе, отсутствие депрессии и упадка сил — это не лозунг коуч-специалиста, это твои возможности. Для этого всего лишь нужно 2 раза в день…
Узнай подробности>>
На сон тратится треть жизни. Каждый человек (в том числе и слепой от рождения) видит сновидения. Мужчины-гетеросексуалы чаще видят в сновидениях не женщин, а других мужчин. Такие факты привлекают внимание людей к феномену сна. И пусть активность человеческого мозга во время сна уже изучена достаточно, чтобы удивлять, но ещё недостаточно, чтобы ответить на все вопросы исследователей.
Феномен сна в 10 удивительных фактах
Стадии сна и ритмы мозга
По некоторым приведённым выше фактам видно, что целиком сон состоит из нескольких стадий, во время которых мозг демонстрирует разное качество умственной активности. Переход из одной стадии и фазы в другую можно зафиксировать путём измерения ритмов головного мозга. (Впервые это осуществили в средине XX века с помощью ЭЭГ). Взаимодействие фаз зависит от суточных ритмов, гормонального баланса, температуры тела и других факторов.
В целом весь процесс сна состоит из периода со сновидениями («быстрого») и периода без сновидений («медленного»), которые образуют своеобразный изменчивый цикл. Этот цикл в течение ночи повторяется несколько раз. Причём, если в начале ночи (а начале общего периода сна) на стадию медленного сна приходится большая часть времени, то к концу ночи это соотношение постепенно меняется в сторону удлинения «быстрой» стадии. «Медленная» стадия складывается из 4 фаз:
После «медленной» стадии начинается стадия «быстрая», которую ещё называют парадоксальной.
Парадокс здесь в том, что чрезвычайная активность мозга сочетается с полной неподвижностью тела. Тело словно охватывает паралич. Быстро двигаются только глаза под веками, что хорошо заметно со стороны. В этой стадии человек и видит сновидения.
На прохождения всех фаз и стадий в начале ночи уходит порядка полутора часов. Из них 80 минут занимает «медленный» сон и 10 минут – «быстрый». Затем циклы повторяются. Причём периоды «медленных» стадий сокращаются, а «быстрых» – удлиняются. Так утром, в последнем цикле перед пробуждением, соотношение может быть уже 30:60 в пользу «быстрого» сна. Такое количество утренних сновидений даёт возможность запоминать их после пробуждения – вероятность того, что будильник зазвонит именно в парадоксальной стадии выше.
В течение суток биологические ритмы «бодрствования-сна» регулируются:
Циркадные ритмы каждого конкретного человека стабильны, но у разных людей они заметно различаются. Поскольку на реальный циркадный ритм сильное воздействие оказывают внешние маскирующие факторы (стрессовые факторы, стимуляторы и энергетики, освещённость, температура среды), полагаться в оценке следует, в первую очередь, на показатели температуры тела и синтеза мелатонина при слабом тусклом свете.
Наиболее известная дифференциация по этому признаку – разделение на «сов» и «жаворонков». Частично склонность к тому или иному типу обусловлена наследственностью. За поддержание ритма ответственно супрахизмальное ядро гипоталамуса, в регуляции участвуют подкорковые структуры.
От стабильности действия этой системы, регулирующей циркадный ритм, зависят:
Система контролирует те участки мозга, которые локализованы в теменной и лобной долях, за глазницами. В зависимости от времени суток в ответ на одни и те же задачи последует разная реакция. Циркадная система оказывает влияние, скорее, на бодрствование, чем на сон. В частности её действием объясняется улучшение когнитивных функций, наступающее в начале вечера, следующего после предыдущей бессонной ночи.
При патологическом течении гомеостатический и циркадный механизмы перестают дополнять друг друга и начинают конфликтовать между собой, что приводит к нарушениям сна, к его недостатку или полному отсутствию – депривации сна
Нарушения сна: чем это чревато
Индивидуальные реакции на лишение сна могут заметно отличаться у разных людей. Однако у одного и тоже человека эти проявления более-менее похожи.
Физиология при нарушениях
При отсутствии сна нарушается регуляция циркадного ритма. Связано это с тем, что мелатонин, который входит в число основных регуляторов суточного цикла, синтезируется, главным образом, в ночное время, а у человека, «пропускающего» ночь этого синтеза в полном объёме не происходит. Кроме этого, при депривации сна подавляется активность префронтальных и теменных областей мозга, таламуса.
Префронтальная кора играет главную роль в регуляции сонливости. Спустя 35 часов непрерывного бодрствования начинает снижаться активность височной коры. Реакция этой коры на вербальное обучение у невыспавшихся людей отличается от нормы. Недосыпание меняет и состав нейронных рецепторов на поверхности клетки: количество рецепторов дофамина уменьшается, а рецепторов серотонина – увеличивается. И хотя недосыпание практически не влияет на объём памяти, оно серьёзно замедляет скорость реакции.
Генетические факторы
Нарушения сна
Важность сна для сохранения жизни уже была проиллюстрирована последствиями «фатальной семейной бессонницы». Но существуют и другие патологии.
Ещё одно характерное проявление нарколепсии – катаплексия – непроизвольное и неожиданное расслабление мышц тела, возникающее в момент ярких эмоциональных переживаний (ярости, радости, сексуального наслаждения, значимых воспоминаний и др.). Нередко, перед тем как упасть при расслаблении мышц, человек успевает сознательно выбрать место падения.
К сопутствующим симптомам нарколепсии относятся:
Депрессия и нарушения сна
Нарушения сна могут быть как симптомом депрессии, так и её причиной. При депрессиях человек дольше засыпает, часто просыпается в течение ночи, сон становится поверхностным. Удлиняются 1 и 2 фазы и укорачиваются 3 и 4. В тяжёлых случаях эти две последние фазы самого глубокого сна могут отсутствовать вообще. Из-за этого страдающие депрессией люди не высыпаются вообще независимо от продолжительности сна. Переход между фазами в состоянии депрессии происходит более резко.
Ещё чаще встречаются нарушения парадоксальной стадии. Человек с депрессией очень резко переходит в состояние бодрствования. «Быстрая» стадия, начиная с первого цикла, наступает горазда раньше. В отличие от нормально течения, депрессивный тип цикла проявляется в виде удлинения парадоксальной стадии не во второй, а в первой половине ночи.
После преодоления депрессии сон, как правило, нормализуется, но не всегда это происходит сразу. Иногда патологические проявления возникают ещё в течение полугода. В тех случаях, когда депрессия влечёт за собой нарушения сна (а такое бывает в 9 случаях из 10), применяют препараты, стабилизирующие эмоциональное состояние. Нередко, чтобы не усугубить положение при стрессовых обстоятельствах, в условиях надвигающейся депрессии или для плавного выхода из неё применяют «мягко» действующие природно-растительные комплексы, которые:
Речь о таких препаратах, как «ХэдБустер», «БрейнРаш» и подобных им. Одновременно с эмоциональной стабилизацией эти комплексы усиливают умственную активность, способствуют улучшению памяти и внимания. Мозговая деятельность улучшается одновременно с улучшением состояния тканей мозга и проводимости сигнала в нейронных сетях. В основе действия этих средств лежит количественный принцип постепенного накопления активного вещества в течение всего рекомендованного курса, что обуславливает безопасность препаратов. В зависимости от индивидуальных особенностей организма первые результаты становятся заметны после одной-двух недель применения. Каждый элемент подобран так, что он усиливает действие других компонентов средства.
Что происходит в мозге во время сна и можно ли это записать?
Мы знаем, что находится за пределами нашей планеты, Солнечной системы и галактики. Но то, что происходит когда мы видим сны, остается для ученых загадкой. Впервые записать мозговую активность спящего человека удалось ученым из Чикагского университета в 1952 году. Именно тогда, в ходе наблюдений за электрической мозговой активностью спящих испытуемых, состоялось открытие фазы быстрого движения глаз (rapid eye movement, REM), во время которой мы видим сны. Поначалу исследователи думали, что полученные данные – поломка оборудования, раз показывает, что посреди ночи человек начинает быстро вращать глазами. Не обнаружив в оборудовании неполадок ученые зашли в комнату, посветили фонариком на глаза спящего и увидели, что глаза действительно двигались под веками туда и обратно, в то время как тело лежало неподвижно. Благодаря этому открытию мы знаем, сегодня что существует несколько стадий сна. Примечательно, что когда испытуемых будили посреди фазы быстрого сна, чаще всего они помнили что им снилось. Но можно ли записывать сны?
Возможно в будущем мы будем делиться видеозаписями своих снов с друзьями
Как мозг создает сновидения?
Ключевая фигура в науке о сне Уильям Демент, профессор Стэнфордского университета, в 1957 году совершил революционное открытие: во время фазы быстрого сна мозг человека так же активен, как и во время бодрствования. При этом он работает в особом режиме. Демент выдвинул теорию о том, что человеческий мозг функционирует по-разному в соответствии с тремя периодами: сон, бодрствование и фаза быстрого движения глаз.
Следующим важным событием в изучении сновидений, как пишет «Теории и практики» стал «кошачий» эксперимент французского исследователя Мишеля Жуве. В ходе эксперимента ученый нанес животным небольшие повреждения в области ствола головного мозга и обнаружил, что механизмы, которые блокируют движения во время фазы быстрого сна можно остановить. В результате спящие кошки выгибали спины, шипели и набрасывались на невидимых врагов, разыгрывая свои сны. Они «бывали настолько свирепы, что экспериментатору даже приходилось отскакивать», — записал он. Стоило кошке яростно броситься на врага, как она внезапно просыпалась и сонно огладывалась вокруг, не понимая, где находится.
Сны могут казаться ужасно реальными, когда мы крепко спим. При пробуждении, однако, мы забываем 85% своих сновидений.
Вскоре стадию сновидений обнаружили у всех птиц и млекопитающих, в связи с чем ценность человеческих снов несколько снизилась. Как только у ученых появилась возможность опознавать и фиксировать сны при помощи нейронных колебаний, сны перестали казаться сложным мистическим отражением нашего подсознания и интерес исследователей к этой области несколько поубавился.
Сны – сложный процесс, протекающий в несколько этапов
Так было до тех пор, пока Кэлвин Холл, преподаватель психологии Западного резервного университета Кейза в Кливленде не создал каталог человеческих снов, о чем стало известно лишь в год его смерти (1985). Оказалось, ученый собрал описание более пятидесяти тысяч снов людей различных возрастов и национальностей. Вывод, к которому пришел Холл после 30 лет работы, был диаметрально противоположным идеям Фрейда: сны вовсе не наполнены скрытым смыслом — напротив, в основном они крайне незамысловаты и предсказуемы. Холл утверждал, что ему достаточно знать кто действующие лица, чтобы с точностью угадать дальнейшее развитие событий во сне.
По-сути, сны – это яркие воспоминания, которых никогда не было. Во сне мы оказываемся внутри всеобъемлющей параллельной реальности, фантастического мира, который принадлежит только нам. Но сновидения, особенно веселые, мимолетны и в этом их основная проблема.
В апреле 2017 года, как пишет издание Discover, группа ученых из Университета Висконсин-Мэдисон выявила «заднюю кортикальную горячую зону» (posterior cortical hot zone) в головном мозге, которая могла указывать, спит человек или нет. Эта часть мозга участвует в восприятии реальности в более общем смысле. Исследователи обнаружили, что когда испытуемые сообщали о сновидениях — независимо от того, помнили ли они сон, — в этой горячей зоне наблюдалось снижение низкочастотной активности или медленных волн.
Так как сновидения связаны с повышением высокочастотной активности в горячей зоне, это снижение медленных волн в мозговой активности может служить сигналом для того, когда происходят сновидения, как если бы внезапно загорелся красный свет записи. Это очень важно, потому что знание того, когда происходят сны, может позволить ученым более надежно их записывать.
Несмотря на череду достижений в области науки сна, сновидения ассоциируются с мистикой и тайнами
В дополнение к выявлению сигналов от мозга, которые указывают на то, что человек спит, ученые также обнаружили, что части мозга, участвующие в восприятии во время бодрствования, ведут себя точно так же во время сна. Оказалось, что определенные типы восприятия во сне активируют те же области мозга, что и восприятие во время бодрствования.
Чтобы всегда быть в курсе последних новостей из мира науки и высоких технологий, подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram
Можно ли записывать сны?
Работа, опубликованная в журнале Current Biology вселяет оптимизм по поводу возможности записи сновидений или, по крайней мере, отдельных его частей. Так, полученные результаты показали, что миндалевидное тело – область мозга, которая тесно связана с эмоциями, как и область Вернике, отвечающая за обработку речи, были активны во время фазы быстрого сна. Авторы исследования отмечают, что запись снов может быть проще, чем попытки расшифровать сложные визуальные сцены в режиме реального времени (наблюдения за спящими испытуемыми).
Но как насчет звука? Будет ли в будущем запись снов бесшумной или это будет похоже на фильм? Многие ученые, изучающие сновидения, сходятся во мнении, что проще всего расшифровывать и записывать визуальные образы. Но существует одна проблема: мозг работает по-разному во время сна. Области, которые активны в часы бодрствования, могут быть не столь активны во время сна. Из-за этого существует разрыв между данными МРТ, собранными во время бодрствования и сна, что затрудняет соединение этих двух наборов данных с компьютерными алгоритмами.
Сегодня исследователи в области сна с оптимизмом смотрят в будущее, особенно в зарождающейся области использования алгоритмов искусственного интеллекта для исследования сферы бессознательного. Существующие исследования сегодня сосредоточены на расшифровке видений и движений во сне, хотя ученые не видят фундаментальных трудностей в расшифровке других модальностей и эмоций.
Кстати, создано устройство, которое поможет взламывать сны. Подробнее читайте в нашем материале
Авторы еще одного исследования говорят, что расшифровали категориальное содержание сновидений. Камитани, как и другие ученые, изучающие содержание сновидений, информировал свое исследование, будя испытуемых в течение всей ночи и спрашивая их, что им снилось. Затем он построил индивидуальные каталоги мозговой активности, соответствующие образам, воспринимаемым во время бодрствования и обучил нейронную сеть распознавать эти паттерны мозговых волн во время разных фаз сна.
Документируя ключевые слова и частые категории из отчетов о снах испытуемых, ученые выбрали фотографии, представляющие каждую категорию и показывали их участникам, когда те бодрствовали. Мозговая активность испытуемых при просмотре этих изображений во время бодрствования регистрировалась и сравнивалась с мозговой активностью во время сновидений. Используя этот метод, исследователи смогли предсказать содержание сновидений испытуемых с высокой точностью, и в настоящее время они работают над созданием изображений из мозговой активности во время сна.
Некоторые ученые считают, что сны представляют собой симуляцию реальности, которая позволяет нам в очень безопасной среде обучаться новому поведению и навыкам противостоять угрозам или справляться со сложными социальными ситуациями. Так или иначе, большинство наших умозаключений о снах и той роли, которую они играют в нашей жизни, будут субъективными, а изучение отдельных элементов сновидений приводит к каскадам новых вопросов, ответов на многие из которых сегодня не существует. Но это не значит, что нужно перестать задавать вопросы. Например, изменит ли возможность записи сновидений, то, что и как мы о них думаем? Ответы на эти и другие ответы смотрите в увлекательном видео от AsapSCIENCE в переводе и озвучке Vert Dider: