Мэттью Уолкер
Зачем мы спим. Новая наука о сне и сновидениях
Как ваш мозг порождает сон
Если бы этим вечером я привел вас в мою лабораторию сна в Калифорнийском университете в Беркли, прикрепил электроды к вашей голове и лицу и позволил вам заснуть, как бы выглядела энцефалограмма спящего мозга? Насколько отличались бы такие графики мозговой активности от снятых у вас в настоящий момент, когда вы находитесь в состоянии бодрствования и читаете эти строки? Как эти изменения биоритмов мозга объясняют, почему вы находитесь в сознательном состоянии (период бодрствования), в бессознательном (фаза ФМС-сна) или иллюзорно-сознательном периоде сновидений (фаза БДГ-сна)?
Предположим, вы здоровый молодой или среднего возраста человек (мы обсудим сон детей, пожилых людей и больных чуть позже). Три волнистые линии на рис. 9 показывают различные типы электрической активности, которые я мог бы снять с вашего мозга. Каждая линия представляет тридцать секунд мозговой активности во время трех разных состояний: (1) бодрствование, (2) глубокий медленный сон и (3) быстрый сон.
Рис. 9. Мозговые волны бодрствования и сна
В бодрствующем состоянии ваш мозг весьма активен – то есть мозговые волны цикличны, поднимаются и опускаются, возможно тридцать или сорок раз в секунду, это похоже на очень быструю барабанную дробь. Для обозначения этого явления используется термин «быстрая частота» активности мозга. Более того, для этих мозговых волн нет определенного образца – то есть эта «барабанная дробь» не только быстрая, но и неупорядоченная. Если бы я попросил вас предсказать следующие несколько секунд активности, ориентируясь на предыдущий ритм, вы бы не смогли этого сделать. Мозговые волны действительно настолько асинхронны, что их «барабанная дробь» не имеет различимого ритма. Даже если бы я преобразовал мозговые волны в звук (что я и делал в своей лаборатории в рамках проекта «озвучивания сна» и что производит довольно жуткое впечатление), вы бы сразу поняли, что танцевать под такую музыку невозможно. Существуют электрические отличительные признаки полного бодрствования: быстрая частота и хаотическая активность мозговых волн.
Возможно, вы считали, что график вашей мозговой активности в период бодрствования красив, гармоничен и строго синхронизирован с вашим логическим мышлением. Но в действительности это не так: хаотичность мозговых волн объясняется тем, что разные отделы вашего бодрствующего мозга обрабатывают разные элементы информации в разные моменты времени и разными способами. Когда они складываются, то на записи, сделанной с помощью электродов, закрепленных на вашей голове, мы видим то, что кажется образцом беспорядочной активности.
В качестве аналогии представьте большой футбольный стадион, заполненный тысячами болельщиков. Над центром стадиона свисает микрофон. Люди, сгруппированные на разных трибунах стадиона, представляют отдельные клетки мозга, расположенные в разных отделах мозга. Микрофон – электрод, закрепленный на макушке, – это записывающее устройство.
Перед началом игры болельщики говорят – кто о чем и в разное время. В своих разговорах они не синхронизированы ни по темам, ни по времени. В результате общее бормотание, которое записывает наш микрофон, представляет собой беспорядочный шум, в котором отсутствует единый четкий голос.
Когда я закрепляю электроды на голове испытуемого в лаборатории, они измеряют суммарную активность всех нейронов мозга, обрабатывающих разные потоки информации (звуки, зрительные образы, запахи, ощущения, эмоции) в различные моменты времени и в разных отделах мозга. Обработка такого количества информации и столь различных ее типов означает, что ваши мозговые волны работают очень быстро и хаотично.
Устроившись в постели в моей лаборатории сна и выключив свет, вы, вероятно, немного поворочавшись, успешно отплывете от берегов бодрствования в сон. Сначала вы выйдете на мелководье легкого медленного сна – его 1-я и 2-я фазы. Затем вы войдете в более глубокие воды медленного сна – в 3-ю и 4-ю фазы, которые объединяются одним общим термином «медленноволновой сон». Вернувшись к образцу мозговых волн на рис. 9 и сосредоточившись на средней линии, вы сможете понять почему. В глубоком медленноволновом сне неровный ритм вашей мозговой активности кардинально замедляется, выдавая, может, всего лишь от двух до четырех волн в секунду, что в десять раз медленнее скорости мозговой активности в период бодрствования.
Примечательно, что волны медленной фазы сна гораздо более синхронны и надежны, чем активные волны бодрствующего мозга. Настолько надежны, что, основываясь на предыдущих, вы могли бы предсказать несколько следующих тактов электрической песни медленной фазы сна. Если бы мне нужно было конвертировать глубокую ритмичную активность медленной фазы вашего сна в звук и проиграть вам утром (что мы и делали для испытуемых в рамках того же проекта «озвучивания сна»), вы бы смогли найти ее ритм и двигаться в такт, плавно покачиваясь под медленную ритмичную пульсацию.
И в этот момент очевидным стало бы кое-что еще. Время от времени новый звук накладывался бы поверх медленноволнового ритма. Он был бы коротким и длился всего лишь несколько секунд, но всегда бы звучал на сильной доле такта медленноволнового цикла. Вы бы восприняли его как быструю трель, неотличимую от раскатистого «р» в некоторых языках, например в испанском или хинди, или как довольное мурлыканье кошки, только очень быстрое.
То, что вы слышите, – это сигма-ритм, или сонное веретено, – острая вспышка мозговой активности, которая часто отмечает конец каждой медленной волны. Сигма-ритм возникает не только при глубокой, но и во время более легких фаз медленного сна, еще до того, как мощные медленные мозговые волны глубокого сна начинают доминировать. Одна из многих функций сонных веретен – действовать как часовые, которые защищают сон, ограждая мозг от внешних шумов. Чем более сильны и часты сигма-ритмы человека, тем больше внешнего шума они заглушают. В противном случае шум разбудил бы спящего.
Вернемся к медленным волнам глубокого сна. Мы также выяснили кое-что удивительное о месте их зарождения и о том, как они проносятся по поверхности мозга. Поместите свой палец между глаз, точно над переносицей. Теперь передвиньте его вверх на пять сантиметров. Когда вы ляжете спать, именно здесь будет генерироваться большинство мозговых волн глубокого сна: прямо посередине лобных долей головного мозга. Это эпицентр, или горячая точка, из которой приходит глубокий медленноволновой сон. Однако волны глубокого сна не расходятся идеальными кругами. Вместо этого почти все мозговые волны глубокого сна будут идти в одном направлении: от передних долей мозга к задним. Они похожи на звуковые волны, исходящие из громкоговорителя, которые преимущественно идут в одном направлении – вперед от динамика (перед громкоговорителем они всегда громче, чем позади него). И как громкоговоритель, вещающий на обширное пространство, медленные волны, которые вы сгенерируете сегодня ночью, будут постепенно рассеиваться по мере продвижения к задней части мозга, не имея возможности обратного хода.
В 1950-х и 1960-х годах, когда ученые начали измерять эти медленные мозговые волны, было сделано понятное предположение: эти на вид неспешные, даже ленивые движения мозговых волн должны отражать деятельность мозга, который находится в бездействии или даже в спящем состоянии. Это было разумное подозрение, учитывая, что самые глубокие, самые неспешные волны медленного сна могут напоминать волны, которые мы видим у пациентов под наркозом или даже в некоторых формах комы. Но это допущение оказалось в корне неверным, ничто не могло быть дальше от истины. То, что вы на самом деле испытываете во время глубокого медленного сна, – одна из самых грандиозных среди известных нам демонстраций нейронного взаимодействия. Посредством потрясающего акта самоорганизации многие тысячи нейронов решили объединиться и синхронно «петь» или «гореть». Каждый раз, когда ночью в своей лаборатории я наблюдаю этот поразительный акт нейронной синхронии, я склоняю голову в знак уважения: сон поистине внушает мне благоговейный трепет.
Вернемся к аналогии с микрофоном, свисающим над футбольным стадионом, и рассмотрим игру сна в действии. Толпа – тысячи отдельных мозговых клеток – перешла от болтовни друг с другом перед началом игры (бодрствование) к единому состоянию (глубокий сон). Голоса нейронов объединяются – теперь они звучат синхронно, подобно мантре – песне глубокого медленного сна. И вдруг раздается громкий вскрик, создающий высокий всплеск мозговой активности, затем голоса умолкают на несколько секунд, образуя глубокую, протяженную впадину мозговой волны. Наш установленный на стадионе микрофон ловит четко определенный рев расположившейся внизу толпы, за которым следует долгая пауза, похожая на общий вдох. Осознавая, что ритмичная мелодия глубокого сна была на самом деле высокоактивным, тщательно скоординированным состоянием мозговой гармонии, ученые были вынуждены отказаться от поверхностных представлений о глубоком сне как о состоянии тупого оцепенения.
Понимание этой ошеломляющей электрической гармонии, которая каждую ночь сотни раз пульсирует по поверхности вашего мозга, также помогает объяснить потерю внешнего сознания. Она начинается ниже поверхности мозга, в таламусе. Вспомните, что, как только мы засыпаем, таламус – эти сенсорные ворота, расположенные глубоко в центре мозга, – блокирует передачу воспринимаемых сигналов (звуков, зрительных образов, прикосновений и т. д.) к верхушке мозга и к его коре. Прерывая перцепционные связи с внешним миром, мы не просто теряем чувство сознания (поэтому мы не видим сновидений в фазе медленного сна и не ведем осознанный отсчет времени), но и позволяем коре головного мозга «расслабиться», входя в режим пассивной работы. Такой режим пассивной работы и есть то, что мы называем глубоким медленноволновым сном, или состоянием неторопливой, но активной и предельно синхронизированной мозговой активности. Это пограничное состояние приближается к ночной мозговой медитации, хотя следует заметить, что оно очень отличается от работы мозга в бодрствующих медитативных состояниях.
В этом шаманском состоянии глубокого медленного сна может быть найдена настоящая сокровищница психических и физических благ для вашего мозга и тела – щедрый подарок, который мы подробно исследуем в главе 6. Однако одно из благ для мозга – сохранение воспоминаний – заслуживает упоминания в этот момент нашего рассказа, поскольку служит прекрасным примером того, на что способны глубокие медленные мозговые волны.
Случалось ли вам, путешествуя на машине, замечать, что в какой-то момент сигнал FM-радиостанции, которую вы слушали, начинает слабеть? И напротив, сигналы AM-радиостанций остаются сильными. Возможно, вы, заехав еще дальше, попытались поймать другой FM-сигнал, но потерпели неудачу. Переключившись на AM-полосу, вы обнаружили несколько все еще доступных каналов. Объяснение кроется в самих радиоволнах, точнее в разных скоростях передачи этих волн – FM и AM. Станции FM используют короткие радиоволны, амплитуда колебаний которых намного чаще амплитуды волн АМ. Преимущество радиоволн FM заключается в том, что они могут нести более значительную информационную нагрузку и, следовательно, звучат лучше. Но есть большой недостаток: волны FM быстро исчерпывают свои возможности, как спринтер, который может бежать только на короткие дистанции, хотя и имеет весьма развитую мускулатуру. Радиостанции, работающие в диапазоне AM, используют гораздо более медленные, точнее более длинные радиоволны, сходные с поджарым бегуном на дальние дистанции. В то время как радиоволны AM не могут соответствовать динамичному качеству радио FM, их неторопливая поступь способна покрывать большие расстояния с меньшим угасанием сигнала. Таким образом, вещание на дальние расстояния возможно лишь с помощью медленных AM-радиоволн, которые в состоянии обеспечивать стабильную связь между самыми отдаленными географическими районами.
Когда происходит переход работы мозга от быстрочастотного во время бодрствования к более сдержанному при медленной фазе глубокого сна, возникает то же самое преимущество коммуникации дальнего действия. Устойчивые, медленные, синхронные волны, которые проходят через мозг во время глубокого сна, открывают коммуникационные возможности между отдаленными долями мозга, позволяя им совместно отправлять и получать различные блоки хранимого опыта.
В этом плане вы можете думать о каждой отдельной волне медленного сна как о курьере, способном разносить посылки с информацией между разными мозговыми центрами. Безусловная польза от таких путешествующих в глубоком сне мозговых волн – это перенос информационных файлов. Каждую ночь мозговые волны глубокого сна и дальнего действия будут перемещать эти посылки (недавние впечатления) из хрупкого краткосрочного хранилища в более постоянное и, таким образом, более безопасное долгосрочное хранилище. Следовательно, работа мозга в период бодрствования главным образом связана с восприятием внешнего сенсорного мира, в то время как фаза глубокого сна отражает внутреннее состояние рефлексии, которое способствует передаче информации и очищению воспоминаний.
Если во время бодрствования господствующее положение занимает прием, а во время фазы медленного сна – рефлексия, что же тогда происходит во время фазы быстрого сна – во время сновидений? Вернемся к рис. 9. Последняя линия электрической работы мозговых волн – это те импульсы, которые я бы обнаружил в вашем мозге, когда он находится в фазе быстрого сна. Несмотря на то что человек спит, сопутствующая сну деятельность мозговых волн не имеет сходства с работой мозга во время глубокого медленного сна (средняя линия на рисунке). Более того, работа мозга в фазе быстрого сна представляет собой почти точную копию работы в период активного бодрствования – на рисунке это верхняя линия. В самом деле, недавние исследования с помощью аппаратов МРТ обнаружили, что существуют отдельные участки мозга, проявляющие бóльшую активность во время быстрого сна, чем во время бодрствования, – разница может составлять до 30 %!
По этим причинам быстрый сон также называют парадоксальным: мозг остается бодрствующим, а тело явно спит. Часто бывает невозможно отличить быстрый сон от бодрствования по одной только энцефалограмме. В фазе быстрого сна происходит возвращение асинхронных высокочастотных мозговых волн. Многие тысячи мозговых клеток в коре головного мозга, которые ранее во время фазы медленного сна объединились в медленном и синхронном гомоне, теперь вернулись к бешеной обработке разных информационных блоков на разных скоростях, в разное время и в разных участках мозга – что типично для бодрствования. Но вы не бодрствуете, скорее вы крепко спите. Так какая же информация подвергается обработке, раз в данный момент это уж точно не информация из внешнего мира?
Как и во время бодрствования, во время быстрого сна сенсорные ворота таламуса вновь распахиваются. Но природа этих ворот меняется. Во время БДГ-сна в кору головного мозга пропускаются не ощущения внешнего мира; это эмоциональные импульсы, мотивации и воспоминания (прошлые и нынешние) проигрываются на больших экранах наших зрительных, слуховых и кинестетических сенсорных участков коры головного мозга. Каждую ночь быстрый сон приглашает вас в театр абсурда, где разыгрывается странный, предельно ассоциативный спектакль с автобиографическим сюжетом. Что касается обработки информации, подумайте о состоянии бодрствования главным образом как о принятии (вы ощущаете и постоянно изучаете окружающий мир), в то время как фаза медленного сна – это отражение (выборочное усиление сырых ингредиентов новых фактов и умений), а фаза быстрого сна – своего рода интеграция (объединение этих сырых ингредиентов друг с другом и со всем прошлым опытом, в ходе которого выстраивается еще более точная модель функционирующего вокруг нас мира, включая понимание его сути и способность к самостоятельному решению задач).
Поскольку электрические импульсы мозга во время быстрого сна и бодрствования так похожи, как же я могу определить, в каком из этих двух состояний вы пребываете, лежа в спальне лаборатории сна рядом с контрольной комнатой? В этом случае сигнальным устройством станет ваше тело – а точнее, мышцы.
Прежде чем уложить вас в постель в лаборатории изучения сна, нам необходимо закрепить электроды на вашем теле – в дополнение к тем, которые прикреплены к вашей голове. В состоянии бодрствования, даже когда вы, расслабившись, лежите в постели, в ваших мышцах сохраняется некоторая степень общего напряжения, или тонус. Это ровное мышечное гудение легко определяется с помощью датчиков, которые прислушиваются к вашему телу. Когда вы входите в фазу медленного сна, часть этого мышечного напряжения исчезает, но значительная доля остается. Однако, когда вы готовитесь к прыжку в быстрый сон, происходит впечатляющая перемена. Буквально за несколько секунд до начала фазы сновидений, быстрого сна, вы оказываетесь полностью парализованным. В произвольных мышцах вашего тела нет тонуса. Ни малейшего. Если бы я в этот момент тихо вошел в комнату и попытался поднять вас, конечно стараясь при этом не разбудить, то столкнулся бы с вашим совершенно обмякшим, словно тряпичная кукла, телом. Будьте уверены, что ваши непроизвольные мышцы – те, что контролируют инстинктивные сокращения, такие как дыхание, – продолжают действовать и поддерживать жизнь во время сна. Но все остальные мышцы расслабляются.
Это свойство, обозначаемое термином «атония» (отсутствие тонуса, здесь относящееся к мышцам), вызывается мощным блокирующим сигналом, который передается из мозгового ствола по всей длине спинного мозга. Как только этот сигнал передан, постуральные мышцы тела, такие как бицепсы и четырехглавые мышцы ног, теряют все напряжение и силу. Они больше не отвечают на команды вашего мозга. Фактически вы стали пленником, заключенным в тюрьме быстрого сна. К счастью, отбыв срок фазы БДГ-сна, ваше тело освобождается от физического плена. Это поразительное разделение, возникающее в фазе сновидений, когда мозг высокоактивен, а тело неподвижно, позволяет ученым легко распознавать – а значит, и разделять – мозговые волны быстрого сна и бодрствования.
Почему эволюция исключила мышечную активность во время БДГ-сна? Потому что, блокируя мышечную активность, ваш мозг не позволяет вам разыгрывать опыт сновидений. В период быстрого сна в мозге проносится шквал моторных команд, порожденных динамичными сновидениями. В таком случае очень мудро со стороны природы сшить физиологическую смирительную рубашку, которая запрещает этим вымышленным движениям воплотиться в реальность, особенно если учесть, что вы перестаете осознанно воспринимать ваше окружение. Вы без труда можете представить губительные последствия участия в приснившейся драке или безудержное бегство от приближающегося во сне врага, в то время как ваши глаза закрыты, а окружающий мир вы и вовсе не воспринимаете. Вряд ли вам потребовалось бы много времени, чтобы покинуть генофонд. Мозг парализует тело, чтобы разум мог безопасно видеть сны.
Откуда нам известно, что, пока человек спит, все эти двигательные команды действительно выдаются, кроме как от проснувшегося человека, который расскажет вам, что ему приснился побег или драка? Печальный ответ заключается в том, что этот парализующий механизм у некоторых индивидуумов может давать сбой, особенно на поздних отрезках жизни. И как следствие, они переводят эти связанные со снами моторные импульсы в мир реальных физических действий. Как мы узнаем в главе 11, последствия могут быть трагическими.
И последнее, что заслуживает описания при создании картины БДГ-сна, – это сама причина его названия – соответствующие быстрые движения глаз. В фазе медленного сна ваши глаза неподвижны[15]. Однако, когда вы начинаете видеть сон, электроды, которые мы закрепляем вокруг глаз, рассказывают совсем другую историю – ту же самую историю, которую раскопали Клейтман и Асерински в 1952 году, наблюдая за сном ребенка. Во время быстрого сна возникают моменты, когда ваши глазные яблоки начинают безостановочно двигаться, слева направо, справа налево и так далее. Сначала ученые предположили, что эти дерганые движения глаз соответствуют отслеживанию визуального опыта в сновидении. Это неверно. Движения глаз тесно связаны с физиологическим созданием быстрого сна и отражают нечто даже более экстраординарное, чем пассивное восприятие движущихся объектов внутри пространства сна. Это явление подробно описано в главе 9.
Неужели мы единственные создания, которые переживают столь различные фазы сна? Есть ли фаза быстрого сна у других животных? Видят ли они сны? Давайте выясним.