Как мозг переходит из бодрствования в сон (и обратно)

Нейробиологи, исследующие границу между сном и бодрствованием, обнаруживают множество типов пограничных состояний, которые помогают объяснить нарушения сна, возникающие при сбоях в процессе перехода в сон.

Холодная подушка прижимается к щеке. Сосед сверху ходит по своей квартире, скрипя полами. Вы закрываете глаза; в поле зрения танцуют тени и блики света. Кошка нюхает кусочек сыра. Точки падают в озеро. Все это кажется вполне нормальным и естественным, хотя у вас нет кошки и вы находитесь далеко от озера.

Вы начали свое путешествие в сон — загадочное состояние, которое необходимо вам и большинству других животных в той или иной форме для выживания. Сон обновляет мозг ^[1] и тело способами, которые мы до конца не понимаем: восстанавливая ткани, выводя токсины и закрепляя воспоминания. Но, как может подтвердить любой, кто сталкивался с бессонницей, входить в это состояние не так-то просто — ни с физиологической, ни с психологической точки зрения.

Чтобы заснуть, «все должно измениться», — говорит Адам Хоровиц ^[2], научный сотрудник из области науки о сне в Массачусетском технологическом институте. Приток крови к мозгу ^[1] замедляется, а циркуляция спинномозговой жидкости ускоряется. Нейроны выделяют нейротрансмиттеры, которые изменяют химический состав мозга ^[1], и они начинают вести себя по-другому, генерируя импульсы с большей синхронностью. В голове появляются и исчезают образы. Мысли начинают искажаться.

«Наш мозг ^[1] способен очень быстро переводить нас из состояния осознания окружающей обстановки в состояние бессознательности или дать нам почувствовать то, чего на самом деле нет, — говорит Лаура Льюис ^[3], исследовательница сна из Массачусетского технологического института. — Это поднимает чрезвычайно интересные вопросы о человеческом опыте».

То, как мозг ^[1] умудряется безопасно и эффективно переходить между этими состояниями, до сих пор полностью не изучено. Но исследования, посвященные переходам как в сон, так и из него, начинают раскрывать нейробиологические основы этих промежуточных состояний, давая понимание, которое может объяснить, как возникают нарушения сна, такие как бессонница или сонный паралич, когда что-то идет не так.

Традиционно считалось, что сон — явление бинарное: либо он есть, либо его нет, сказала Льюис. Вы либо бодрствуете, либо спите. Но новые данные показывают, что это «скорее спектр, чем категория».

На волне мозговой активности

В 1930-х годах миллионер, магнат с Уолл-стрит, юрист и ученый-любитель Альфред Ли Лумис любил сканировать мозг ^[1] своих гостей, пока те дремали в его особняке в северной части штата Нью-Йорк. Он был пионером в использовании аппарата, известного как электроэнцефалограф, для изучения сна. Каждый человек, решивший поспать, надевал шапочку с электродами, которые позволяли неинвазивно измерять активность мозга ^[1]. Аппарат с помощью пера физически записывал волны с пиками и впадинами на бумагу, прокручиваемую со скоростью 1 сантиметр в секунду, создавая электроэнцефалограмму (ЭЭГ).

Эти волны отражали общую активность нейронов. Когда мы засыпаем, нейроны начинают синхронизироваться, то есть они активируются и затихают одновременно. (Никто точно не знает, почему это происходит). По мере того как человек спит, эта синхронность усиливается, порождая мозговые волны с более низкой частотой и более высокой амплитудой. В течение ночного сна волны циклически ускоряются и замедляются — всю ночь, и так каждую ночь. Лумис классифицировал различные типы мозговых волн по так называемым фазам сна и создал номенклатуру для описания фаз бессознательного состояния.

Электроэнцефалография дала толчок исследованиям сна. Измерение волн, регистрируемых на ЭЭГ, стало для нейробиологов обычным способом определять состояние мозга ^[1] или сна человека без инвазивных хирургических вмешательств. Это стало основным методом для понимания как активности нейронов во время сна, так и субъективных переживаний, таких как сны, которые они создают, когда мы переходим через различные формы сознания во сне.

В начале 1950-х годов физиолог Натаниэль Клейтман из Чикагского университета и его аспирант Юджин Азеринский впервые описали фазу сна, характеризующуюся быстрыми движениями глаз, или фазу быстрого сна (REM) — цикл, который мозг ^[1] повторяет несколько раз в течение ночи и во время которого мы обычно видим сны. В фазе быстрого сна мозговые волны быстрее, чем в фазе медленного сна, и больше похожи на те, которые возникают, когда мы бодрствуем. Через несколько лет Клейтман и исследователь сна Уильям Демент, также из Чикагского университета, разработали усовершенствованную схему стадий сна: четыре стадии сна без быстрого движения глаз, или NREM, основанные на оригинальной работе Лумиса, и одну стадию REM-сна. Модифицированная версия (в которой две последние стадии NREM-сна объединены в одну) используется и по сей день.

Однако, установив четкие границы, эта схема затушевала тонкости того, что происходило между ними. В этой области стало нормой, что «у вас есть три варианта: вы либо бодрствуете, либо находитесь в фазе NREM [сна], либо в фазе быстрого сна», — сказал Томас Андрильон ^[4], когнитивный нейробиолог из Парижского института мозга ^[1].

Хотя и существовали некоторые свидетельства того, что мозг ^[1] может находиться в состоянии, смешивающем сон и бодрствование, они в основном игнорировались. Это считалось слишком сложным и изменчивым, противоречащим строго определенному представлению большинства исследователей о сне.

Но постепенно новая волна нейробиологов начала подвергать сомнению этот статус-кво, сказал Андрильон. И они поняли: «Ну, может быть, на самом деле именно в этом и заключается вся интересная часть».

Погружение в сон

Сальвадор Дали, возможно, согласился бы с этим.

Примерно в то время, когда Лумис проводил эксперименты с ЭЭГ в своём особняке, художник-сюрреалист экспериментировал с собственными переходами в сон. Как он описал в своей книге 1948 года «50 секретов магического мастерства», он садился в «костлявое кресло, желательно испанского стиля», свободно держа тяжелый ключ в одной ладони над перевернутой тарелкой на полу. Когда он погружался в сон, его руки расслаблялись — и в конце концов ключ выпадал из пальцев. Внезапный стук ключа, ударившегося о тарелку, будил его.

Убежденный в том, что пробуждение в этот период оживляет его психику и стимулирует творчество, Дали садился и начинал рисовать. Другие великие умы, в том числе Томас Эдисон ^[5] и Эдгар Аллан По, разделяли его интерес к так называемому гипнагогическому состоянию — раннему этапу сна, когда мы начинаем видеть ментальные образы, но пока еще не заснули, — и проводили с ним эксперименты.

Художник Сальвадор Дали , известный своими сюрреалистическими картинами, такими как «Галатея сфер» 1952 года, экспериментировал с пробуждением себя во время гипнагогии (перехода в сон) для стимулирования своего творческого потенциала.

В 2021 году группа исследователей из Парижского института мозга ^[1], в том числе Андрильон, обнаружила ^[6], что эти экспериментаторы на самих себе оказались правы. Пробуждение из самой ранней фазы сна, известной как N1, по-видимому, переводило людей в «зону творческого пика». Люди, проснувшиеся после пребывания в гипнагогическом состоянии в течение 15 секунд, почти в три раза чаще обнаруживали скрытое правило в заданной им математической задаче. Спустя пару лет другое исследование ^[7], проведенное Хоровицем из Массачусетского технологического института, показало, что можно еще больше повысить креативность людей, выходящих из этого состояния, специально направляя их сны.

Не совсем ясно, почему гипнагогия вроде бы стимулирует креативность. Одна из возможных причин заключается в том, что процесс засыпания «требует от нас отказа от контроля над своими мыслями», — сказала Карен Конколи ^[8], которая изучала осознанные сны в качестве постдокторанта в Северо-Западном университете и сейчас консультирует стартап Dust Systems (соучредителем которого является Хоровиц), занимающийся исследованиями сна. «Когда наш исполнительный контроль над сознанием ослабевает, мы, возможно, получаем доступ к более широкой семантической сети информации, что может способствовать творчеству». Андриллон согласен с тем, что переход ко сну вызывает состояние «свободного сознания», которое освобождает мозг ^[1] от привычных способов мышления ^[1].

Подобно тому, как в городе постепенно гаснут огни домов, когда он погружается в сон, мозг ^[1] постепенно переходит в «ночной режим». Сон начинается в центре города: нейроны, расположенные в глубине мозга ^[1], например в древнем центре управления, известном как гипоталамус, посылают сигналы, подавляющие активность контуров бодрствования. Расположенные рядом области мозга ^[1], такие как таламус, который передает информацию от органов чувств к остальным частям мозга ^[1], отключаются первыми. Через несколько минут за ними следует кора головного мозга ^[1], которая участвует в более сознательном, высшем мышлении ^[9]. Мозг ^[1] отключается от передней части, где происходит планирование и принятие решений, до задней, где анализируются такие чувства, как зрение.

Во время этого перехода, когда некоторые части мозга ^[1] отключаются, а другие остаются в бодрствующем состоянии, нам иногда могут приходить похожие на сны мысли. В этом гипнагогическом состоянии многие люди находятся «одной ногой в снах, а другой — в реальном мире», — сказал Хоровиц. Некоторые люди слышат звуки, у других возникают видения. Это похоже на более лёгкое, чем сон, состояние: проекции на фоне реального мира, который все еще находится в пределах нашего восприятия.

«Можно было бы решить, что у этих психических переживаний есть какая-то функция, — сказал Сидарта Рибейро ^[10], нейробиолог из Федерального университета Рио-Гранде-ду-Норте в Бразилии. — Но, возможно, ее нет. Возможно, это побочный продукт того, что происходит в мозге».

Когда глаза закрыты, а органы чувств переходят в режим покоя, вы уже практически не получаете информации из внешнего мира. Но вы по-прежнему получаете сигналы изнутри мозга ^[1] — возможно, это остатки дневных переживаний. Рибейро и его команда недавно сообщили ^[11], что дневные переживания человека могут проявляться в гипнагогических образах на ранней стадии засыпания, что дополняет результаты других исследований ^[12], в которых были сделаны аналогичные выводы.

Некоторые исследователи используют это состояние между сном и бодрствованием для изучения самой природы сознания. «Если удастся отследить, что происходит в мозге ^[1] при переходе из одного из этих двух противоположных миров в другой, это даст много информации о флуктуациях сознания», — сказал Николя Декат ^[13], аспирант, изучающий сон и сознание в Парижском институте мозга ^[1]. В предварительном исследовании, которое еще не прошло экспертную оценку, Декат использовал ЭЭГ для записи мозговых волн более 100 человек, когда они засыпали. Следуя методам Дали и Эдисона, он попросил участников держать бутылки так, чтобы, когда они засыпали, бутылки падали и издавали звук, который бы их разбудил.

Сравнивая мозговые волны участников с их собственными описаниями того, что приходило им в голову, Декат обнаружил, что некоторые похожие на сон образы возникали, когда участники технически находились в бодрствующем состоянии, а некоторые осознанные мысли появлялись, когда они технически спали. Например, одна участница сообщила, что по ее спине ползали муравьи, даже когда ЭЭГ фиксировала быстрые и частые мозговые волны бодрствования. Другой участник сообщил, что у него возникали сознательные мысли о том, как он засыпает, в то время как он технически спал, о чем свидетельствовали медленные и редкие мозговые волны.

Неопубликованные данные указывают на то, что состояния сна, возможно, не являются лучшим способом классификации сознания во время сна. «Нахождение в состоянии бодрствования или сна не полностью определяет, что приходит вам в голову», — сказал Декат. Эти данные «бросают вызов распространенному мнению о том, что когда вы бодрствуете, у вас возникают определенные мысли, а когда вы спите — сонные образы. Это не обязательно так».

Переход ко сну может длиться десятки минут. Это означает, что исследователям довольно легко его изучать — гораздо легче, чем процесс пробуждения, который происходит гораздо быстрее и менее контролируемо. Гораздо сложнее предсказать, когда человек проснется.

Доброе утро, солнышко

Орели Стефан ^[14], научный сотрудник-постдокторант Лозаннского университета в Швейцарии, заинтересовалась процессом пробуждения, когда изучала явление, известное как парадоксальная бессонница. В отличие от людей, страдающих бессонницей, которые не спят всю ночь, люди с парадоксальной бессонницей считают, что не спят всю ночь, хотя их мозговые волны показывают, что они находятся в состоянии сна. «Они спят столько же, сколько люди с качественным сном … так что это загадка», — сказала Стефан.

Чтобы понять эту проблему, ей сначала нужно было изучить более типичный процесс пробуждения. Когда человек, качественно спящий, просыпается, что происходит в его мозге ^[1]?

В недавнем исследовании ^[15] она изучила более 1000 различных пробуждений — переходов от сна к бодрствованию — в масштабе секунд. Она заметила любопытную медленную мозговую волну в наборе данных от людей, качественно спящих, когда они просыпались в фазе сна без быстрого движения глаз. Основываясь на предыдущих исследованиях на животных, Стефан и ее команда выдвинули гипотезу, что эта медленная волна исходит из точки, расположенной глубоко в мозге ^[1].

Она заметила, что после появления этого сигнала кора головного мозга ^[1] пробуждалась (о чем свидетельствовало ускорение мозговых волн) от передней части, отвечающей за исполнительные функции, к задней, где происходит обработка зрительной и другой сенсорной информации. Когда люди просыпались из фазы быстрого сна, их кора пробуждалась точно так же, но без предшествующей медленной волны.

Стефан обнаружила, что наличие этой уникальной медленной волны коррелировало с тем, как люди чувствовали себя после пробуждения. Участники, у которых наблюдался этот сигнал, просыпались менее сонными, чем те, у кого его не было. По словам Стефан, это предполагает, но не доказывает, что это может быть сигналом пробуждения, который помогает процессу пробуждения.

«Они проделали отличную работу, обнаружив этот признак перехода от сна к бодрствованию», — сказал Луис де Лесеа ^[16], молекулярный биолог, изучающий переходы сна у животных в Стэнфордском университете и не участвовавший в исследовании. Они создали «подробный портрет», сказал Луис, и показали, почему «мы не всегда просыпаемся одинаково».

Тем не менее, показания ЭЭГ являются грубыми и не позволяют исследовать глубокие слои мозга ^[1] или предоставить подробную информацию. Однако предыдущие исследования, в которых использовались фМРТ ^[17] и электроды ^[18], выявили некоторые из более глубоких механизмов, благодаря которым могут возникать такие сигналы пробуждения. Они обнаружили, что нейронные сигналы пробуждения начинаются в глубоких внутренних областях мозга ^[1], таких как гипоталамус и ствол мозга ^[1]. Эти области пробуждают таламус, который передает команды в кору головного мозга ^[1].

Хотя пробуждение обычно происходит быстрее, чем засыпание, оно тоже может занять некоторое время. У Стефан «сигнатура сна» проходит от передней части коры головного мозга ^[1] к задней за несколько секунд. Однако, как она отметила, восстановление сознания и когнитивных способностей, а также полное избавление от «сонной инерции» может занять от нескольких минут до часа. Это и другие исследования также показали, что медленные волны, обычно ассоциируемые со сном, иногда могут свидетельствовать о пробуждении. Границы здесь размыты.

Даже когда мы думаем, что полностью проснулись и свободно гуляем, части нашего мозга ^[1] могут спать. Считается, что это явление, известное как локальный сон, происходит для того, чтобы перегруженные нейроны в мозге ^[1] могли отдохнуть и восстановить силы. Это похоже на то, как дельфины могут спать, используя только одно полушарие мозга ^[1] за раз, или как некоторые птицы спят в полете. Иногда, когда мы действительно устали, некоторым нейронам нужно восстановить силы и перезарядиться, даже если мы все еще на ногах и занимаемся своими делами.

«Эти люди бодрствуют. У них открыты глаза. Они могут даже что-то делать», — сказал Андрильон. И все же части их мозга ^[1] испытывают классические медленные волны сна. Учитывая это, явление локального сна ставит под сомнение само определение «сна».

Проблемные переходы

Когда мы просыпаемся и засыпаем, или даже переходим из одного состояния сна в другое, одновременно возникают различные типы волн. Нейроны синхронизируются и рассинхронизируются в разных областях, создавая какофонию ритмов. Эта мозаика может приводить к таким явлениям, как гипнагогия, осознанные сны и нарушения сна.

«Нарушения сна встречаются чрезвычайно часто, — сказал Льюис. — Зачастую их суть заключается в проблемах с переходом из одного состояния в другое».

Эти нарушения могут проявляться в виде бессонницы, когда люди не могут нормально заснуть, или в виде ночных кошмаров, сонного паралича или лунатизма, когда они не просыпаются нормально. Во многих случаях отдельные участки мозга ^[1] находятся в бодрствующем состоянии, когда должны спать, или наоборот.

Бессонница — это, по сути, трудности с началом перехода в сон или с его поддержанием. При сонном параличе кора головного мозга ^[1] просыпается раньше, чем более глубокие области мозга ^[1], контролирующие тело, что приводит к полному сознанию без возможности двигаться. При парадоксальной бессоннице потенциальный сигнал пробуждения, который Стефан наблюдала в своем новом исследовании, слабый, «поэтому вместо того, чтобы полностью разбудить человека, он просто заставляет его чувствовать себя проснувшимся», — сказала она. Ее команда обнаружила тот же сигнал у лунатиков, но в тех случаях это происходило «в неподходящее временное окно» во время глубокого сна, сказала она. Они также обнаружили ^[19], что мозговая активность лунатиков похожа на ту, что наблюдается во время сновидений, что позволяет предположить, что оба состояния являются результатом схожих механизмов работы сознания во сне.

Декат продолжает исследовать, как выглядит это сознание во сне. Он проводит опрос ^[20], чтобы узнать больше о ментальных переживаниях людей во время засыпания. Эти мысли и ментальные образы бывает трудно вспомнить, потому что для этого нам приходится просыпаться.

Иногда мы просыпаемся в тот самый момент, когда уже засыпаем, или выходим из самой глубокой фазы сна — в те моменты, когда этого не должно происходить. Возможно, нас беспокоит сосед по постели, переворачивающийся во сне. Возможно, это звон ключей, упавших на твердый пол. А может быть, это сам мозг ^[1], который неверно рассчитал, когда следует активировать определенные области.

Ваше сонное состояние нарушается. Вы отступаете от границы засыпания и снова открываете глаза.