27 февраля в рамках проекта «Публичные лекции "Полит.ру"» состоялась лекция Ивана Николаевича Пигарёва – специалиста в области физиологии зрения и физиологии сна, доктора биологических наук, главного научного сотрудника Лаборатории обработки сенсорной информации Института проблем передачи информации РАН. Тема лекции «Основной парадокс состояния сна и его экспериментальное разрешение».
Сон – удивительная вещь. Он знаком всем, каждый здоровый человек один раз в сутки, а если повезет, то и больше, сталкивается с ним в личном опыте. Однако для исследователей сон и в XXI веке содержит немало загадок.
Что происходит с нами во сне? Мы мало реагируем на внешние стимулы: спящего человека разбудит далеко не всякий звук и не всякое прикосновение. Физиолог скажет в данном случае: повышаются пороги восприятия слуховых и тактильных сигналов. Сигналы от органов зрения тоже не воспринимаются, глаза закрыты. Более того, сейчас известно, что в мозге во время сна действуют дополнительные механизмы, блокирующие доступ информации от органов чувств. В итоге мозг находится в состоянии сенсорной депривации.
До первой половины XX века считалось, что сенсорная депривация нужна для того, чтобы мозг отдохнул, то есть сон – это возможность “расслабиться” для уставшего мозга, который весь день трудился, обрабатывая сигналы от органов чувств. Но тут появился новый метод исследования, который обрадовал ученых новыми данными и озадачил новыми проблемами. В 1928 году немецкий ученый Ганс Бергер впервые получил запись электрической активность мозга человека – электроэнцефалограмму (ЭЭГ). При помощи ЭЭГ быстро выяснилось, что кора головного мозга вовсе не простаивает во время сна. Также ученые обнаружили, что для электрической активности мозга во сне характерны особые волны с высокоамплитудными колебаниями частотой 0,5–4 Гц. Они получили название медленные волны, а фаза сна, в которой они появлялись на ЭЭГ, была названа медленноволновым сном. Итак, мозг спящего человека не пребывает в покое, а занят активностью особого рода.
Параллельно проводились исследования депривации сна, во время которых подопытных животных лишали возможности спать. Иван Николаевич Пигарёв рассказал о трех таких работах. Первая проводилась на щенках в России еще в конце XIX века, затем в 1930-е годы в Ленинграде, в лаборатории известного физиолога К. М. Быкова, делались опыты со взрослыми собаками. Результаты в обоих случаях были схожие. Лишение сна в течение нескольких суток приводило к гибели животных (сотрудники лаборатории Быкова на последней стадии прерывали опыт, не доводя его до смерти собаки). Расстройства, возникавшие во время эксперимента, были следующими. Появлялись многочисленные язвы желудка и кишечника, выпадала шерсть, возникали язвы и на коже. Но, как обнаружили ученые единственным органом, в котором не отмечалось патологических изменений, оказывался головной мозг.
Критики этих исследований говорили, что причиной поражений внутренних органов может стать не депривация сна, а стресс, вызванный условиями опыта. Исключить влияние стресса было призвано третье упомянутое И. П. Пигаревым исследование. Оно было проделано в 1990-х годах в США Алланом Рехтшаффеном (Allan Rechtschaffen). Опыт проводился на крысах. Две крысы с вживленными электродами, с помощью которых снималась ЭЭГ, помещались на круглой платформе, разделенной на две части барьером. Сама платформа располагается над емкостью с водой. Специальная программа анализирует ЭЭГ одной из крыс и, если отмечает на ней признаки засыпания, включает мотор, вращающий платформу. Крысы при этом вынуждены двигаться, чтобы преодолеть центробежную силу. Если крыса этого не делает, она падает в воду и мокрой вскарабкивается снова на платформу, то есть поспать ей в любом случае не удается. При этом вторая крыса испытывает, возможно, стресс из-за таких необычных условий, но не испытывает депривацию сна, так как вращение платформы не синхронизированы с ее периодами сна.
В результате Рехтшаффен обнаружил, что уже через сутки крысы (но только те, что не могут заснуть) начинают много есть, при этом теряя в весе. У них начинает выпадать шерсть и появляются язвы на кожи. Разлаживается механизм терморегуляции: потребляя много пищи, крысы тем не менее мерзнут. Если позволить им самим регулировать температуру воздуха, они доводят ее до 37°С, тогда как обычная для них комфортная температура всего лишь 26°С. Появляются язвы в желудке и кишечнике. Через две – три недели крысы умирали. И вновь тщательное исследование их организма показало, что только головной мозг совершенно не поврежден.
Итак, было показано, что депривация сна отрицательно влияет на внутренние органы брюшной и грудной полости (висцеральные органы), а не на головной мозг. При этом активные процессы во время сна регистрируются в головном мозге. И. П. Пигарёв рассказал, как он обнаружил, что медленные волны на ЭЭГ животного можно вызвать и в бодрствующем состоянии, подвергая его органы чувств ритмическим стимулам, период которых совпадает с периодом волн. Для этого эффекта просто включалась и выключалась лампочка перед глазами кошки – волны ЭЭГ появлялись.
Если волны ЭЭГ – следствие влияния на мозг какого-то периодического стимула, но во сне импульсы от органов чувств в мозг не идут, то можно предположить, что на его активность влияют другие стимулы. Дело в том, что человек совершенно не ощущает то, что передают его рецепторы, расположенные во внутренних органах. Между тем, в стенках желудочно-кишечного тракта человека расположено столько же рецепторов (так называемых интерорецепторов), сколько в зрительных рецепторов в сетчатках обоих глаз. То есть поток информации от них соизмерим со зрительным.
Возникла гипотеза, что именно сигналы от внутренних органов обрабатываются головным мозгом во время сна. Для проверки этой гипотезы И. П. Пигаревым был поставлен ряд экспериментов. Например, у спящей кошки производилась электростимуляция кишечника и одновременно фиксировалась ЭЭГ. Обнаружилось, что в ответ на импульс слабого тока в кишечнике следует активность нейронов зрительной коры головного мозга (то есть тех, что в бодрствующем состоянии обрабатывают зрительную информацию). Во время бодрствования зрительные нейроны кошки на стимуляцию кишечника не реагируют.
Далее было решено исследовать не искусственную стимуляцию кишечника током, а электрическую активность его собственных клеток. Для этого в кишечник кошки был вживлен ряд электродов, которые эту активность регистрировали, а одновременно снималась и ЭЭГ. Как и ожидалось, была обнаружена корреляция между активностью кишечника и возбуждением мозговых нейронов.
В результате этих и нескольких других опытов было установлено, что медленные волны на энцефалограмме – отражение периодические процессов висцеральных органов: перистальтики желудка и кишечника, дыхания, сердцебиения. А что же тогда так называемая фаза быстрого (парадоксального) сна, когда медленных волн на энцефалограмме нет? Исследователи пришли к выводу, также подтверждаемому рядом экспериментов, что во время этой фазы мозг обрабатывает информацию от рецепторов в тех внутренних органах, работе которых не свойственна выраженная периодичность.
И. П. Пигарев пришел в итоге к такому определению сна: это состояние организмов, при котором отделы центральной нервной системы переключаются с обработки сигналов, поступающих от органов чувств, на обработку сигналов, поступающих от внутренних (висцеральных) органов. Такое объяснение мозговой активности во сне получило название висцеральной теории сна.
Эта теория уже получило немало экспериментальных подтверждений. Эксперименты проводились на животных: кошках и обезьянах. Кстати, в отличие от опытов по депривации сна, эти эксперименты для них безопасны. Кошка быстро привыкает спать в станке, фиксирующем голову (его вы видите на иллюстрации). Кошка спит, мозг работает, прибор фиксирует электроэнцефалограмму, другие приборы – электрическую активность внутренних органов. На людях такие исследования пока не проводились.
Видимо, работа мозга с сигналами от интерорецепторов необходима для нормального функционирования всех систем органов. Это показывают и результаты опытов по депривации сна. Есть также и другие подтверждения этой теории. При изучении данных о большом количестве пациентов отмечено, в частности, что регулярный сон менее 6 часов в сутки коррелирует с проблемами в работе пищеварительной и сердечно-сосудистой систем. Аналогичные риски есть и у тех, кто не имеет постоянного режима сна, например, работая в режиме «сутки через двое». Наконец, и просто несколько ночей подряд без сна значительно повышают риск язвы желудка.
Когда мы не спим, деятельность внутренних органов регулируется автономной нервной системой, ее также называют вегетативной и висцеральной. На время бодрствования ее работы хватает, но постепенно накапливаются различные сбои и неполадки в деятельности внутренних органов, а значит необходимо, чтобы центральные отделы нервной системы проанализировали сигналы и дали указания по нормализации работы. Сигналы о таких неполадках человек воспринимает как усталость и желание уснуть. Он засыпает, а в это время в его мозге (в таламусе) блокируется прохождение сигналов от органов чувств и открывается путь сигналам от интерорецептеров. Обратные сигналы регулируют деятельность висцеральных органов. Как происходит эта регуляция, на каком «языке» общается мозг с желудком или печенью? Ответы на эти вопросы пока неясны. Попадание импульсов ночной работы мозга в те его отделы, что определяют сознание, в нормальной ситуации заблокировано. Иван Николаевич Пигарёв сравнил изучение нами висцеральной регуляции с изучением зрительного восприятия слепым от рождения человеком. Но первые шаги в этой работе уже сделаны.
