Сон — это фундаментальная потребность, такая же, как еда или вода.
«Без него вы просто умрете», — комментирует Кит Хенген (Keith Hengen), научный сотрудник кафедры биологии Вашингтонского университета в Сент-Луисе (Washington University in St. Louis).
Но что на самом деле дает сон?
В течение многих лет лучшее, что могли сказать ученые, — это то, что сон уменьшает сонливость — вряд ли это удовлетворительное объяснение основной потребности жизни.
Но, объединив концепции из области физики и биологии, Хенген и команда исследователей в области искусств и наук создали теорию, которая может объяснить как значение сна, так и сложность нашего мозга. Как сообщается в новом исследовании, опубликованном в научном журнале Nature Neuroscience, они отслеживали активность мозга спящих крыс, чтобы доказать, что мозгу необходимо регулярно перезагружать свою операционную систему, чтобы достичь «критичности», состояния, которое оптимизирует мышление и обработку данных.
«Мозг подобен биологическому компьютеру», — комментирует Хенген. «Память и опыт во время бодрствования постепенно меняют код, медленно выводя большую систему из идеального состояния. Основная цель сна — восстановить оптимальное вычислительное состояние».
Соавтор исследования Ральф Вессель (Ralf Wessel) отметил, что физики размышляли о критичности более 30 лет, но они даже не предполагали, что эта работа влияет на сон. В мире физики критичность описывает сложную систему, существующую на грани между порядком и хаосом.
«С одной стороны, все совершенно закономерно. С другой стороны, все случайно», — добавляет Вессель.
Критичность максимизирует кодирование и обработку информации, что делает ее привлекательным кандидатом на роль общего принципа нейробиологии. В исследовании 2019 года Хенген и Вессель установили, что мозг активно работает над поддержанием критичности.
В новой статье команда ученых представляет первые прямые доказательства того, что сон восстанавливает вычислительную мощность мозга. Это радикальный отход от давнего предположения, что сон должен каким-то образом восполнять загадочные и неизвестные химические вещества, истощающиеся в часы бодрствования.
После своей статьи 2019 года Хенген и Вессель предположили, что обучение, мышление и бодрствование должны отталкивать мозг от критичности и что сон идеально подходит для перезагрузки системы.
«Мы поняли, что это будет действительно крутое и интуитивное объяснение основной цели сна», — подчеркнула Хенген. «Сон — это системное решение проблемы системного уровня».
Мозговые каскады
Чтобы проверить свою теорию о роли критичности во сне, исследователи отслеживали всплески активности многих нейронов в мозгу молодых крыс, когда они находились в режимах сна и бодрствования.
«Вы можете следить за этими небольшими каскадами активности через нейронную сеть», — добавляет Хенген.
Она отметила, что эти каскады, также называемые нейронными лавинами, отражают то, как информация проходит через мозг.
«При критичности могут возникать лавины любого размера и продолжительности. Вдали от критичности система становится склонной к только небольшим лавинам или только к большим лавинам. Это аналогично написанию книги, когда вы можете использовать только короткие или длинные слова».
Как и предполагалось, у крыс, которые только что проснулись от восстановительного сна, развились лавины всех размеров. По мере пробуждения каскады начали смещаться в сторону все меньших и меньших размеров. Исследователи обнаружили, что они могут предсказать, когда крысы собираются заснуть или проснуться, отслеживая распространение лавин. Когда размеры каскадов сократились до определенной точки, сон был не за горами.
«Результаты исследования показывают, что каждый момент бодрствования отталкивает соответствующие цепи мозга от критичности, а сон помогает мозгу перезагрузиться», — объясняет Хенген.
Физика встречается с биологией
Когда физики впервые разработали концепцию критичности в конце 1980-х годов, они рассматривали груды песка на шахматной сетке — сценарий, казалось бы, далекий от человеческого разума.
Но эти кучи песка дали важную информацию, сказал Вессель. Если тысячи зерен выпадают на сетку, следуя простым правилам, кучки быстро достигают критического состояния, когда начинают происходить интересные вещи. Большие и маленькие лавины могут возникнуть без предупреждения, а сваи в одном квадрате начинают заваливаться на другие.
«Вся система организуется в нечто чрезвычайно сложное», — сказал он.
Вессель также отметил, что нейронные лавины, происходящие в мозгу, очень похожи на лавины песка на решетке. В каждом случае каскады являются отличительной чертой системы, достигшей наиболее сложного состояния.
По мнению Хенген, каждый нейрон подобен отдельной песчинке, подчиняющейся очень простым правилам. Нейроны, по сути, представляют собой переключатели включения/выключения, которые решают, срабатывать или нет, на основе простых входных данных. Если миллиарды нейронов смогут достичь критичности — золотой середины между слишком большим порядком и слишком большим хаосом — они смогут работать вместе, чтобы сформировать что-то сложное и чудесное.
«Критичность максимизирует множество функций, которые кажутся очень желательными для мозга», — заключает Хенген.
Авторы других исследований объясняют, почему сон так необходим для полноценного здоровья.
Ведущий специалист отдела организации клинических исследований, терапевт, врач ультразвуковой диагностики АО «СЗМЦ» (г. Санкт-Петербург), главный редактор, учредитель сетевого издания Medical Insider, а также автор статей
E-mail для связи – [email protected];
