В новом выпуске «Психологии» психофизиолог Ольга Сварник рассказала о том, почему мы спим, как сон влияет на процессы запоминания, а также что известно науке о сновидениях.
Добрый день! Меня зовут Ольга Сварник, я старший научный сотрудник лаборатории психофизиологии имени Вячеслава Борисовича Швыркова Института психологии Российской академии наук. Я сегодня расскажу, почему нам нужно спать. И, как специалист по процессам обучения, формирования памяти и хранения памяти, я хочу сказать, что прежде всего, как мне кажется, сон необходим для нашей памяти.
На самом деле, почему мы спим? Считается, что это вопрос, который не имеет однозначного ответа. Было некоторое количество гипотез, зачем мы это делаем, касающиеся, например, того что это такая специальная экономия для мозга, например, энергетических ресурсов. И вот мы отдыхаем, это нужно для того, чтобы мы отдохнули. И в этом смысле необходимо сказать, что, судя по экспериментальным данным, наш мозг особенно не отдыхает во сне. Он продолжает активироваться. Внутри мозга находятся нейронные группы, которые продолжают быть в возбужденном состоянии.
Прежде всего было замечено, что процессы сна в принципе способствуют тому, чтобы мы вдруг продемонстрировали какие-то улучшения нашей памяти. Мы можем запомнить какое-то стихотворение, запомнить его настолько хорошо, насколько мы сейчас его можем запомнить. Мы его будем повторять много-много раз, еще, еще и еще. Если у вас есть дети школьного возраста, то наверняка вы представляете, о чем я говорю, потому что это один из таких объемных кусков нашего образования ― запоминание разного рода стихотворений.
И в процессе запоминания этого стихотворения видно, как довольно медленно, но все-таки какие-то улучшения происходят, чувствуется, что все лучше и лучше мы можем проговорить это стихотворение. Но если дать организму возможность поспать хотя бы какое-то количество часов, то можно обнаружить, что это стихотворение как бы само спонтанно почему-то вдруг улучшилось, точнее, его воспроизведение улучшилось.
И если сравнить, как сейчас, если взять все стихотворение за 100%, на сколько процентов мы сейчас выучили это стихотворение, сразу после того, как мы закончили его повторять, повторять и повторять, а затем проверить, насколько хорошо мы воспроизводим это стихотворение на следующий день, то окажется, что за время сна произошло очень существенное улучшение.
И были эксперименты, которые показали, что для такого улучшения достаточно буквально трех часов сна, и сразу оказывается, что мы вдруг почему-то воспроизводим ту память, которую приобрели, в гораздо большем объеме. И это не обязательно работает для декларативной памяти, примером которой является запоминание стихотворения, но и для разнообразных видов памяти восприятия или моторных навыков, например, разучивание каких-то этюдов на фортепиано тоже проходит через стадию определенного улучшения, но если опять же дать организму возможность поспать, то на следующий день будет сразу достоверное улучшение в выполнении этого навыка.
И огромный вопрос заключается в том, почему, собственно, такое может происходить. Что такое происходит с нашим мозгом в тот момент, когда мы засыпаем? И для того, чтобы ответить на вопрос, что делает наш мозг во сне, необходимо сразу сказать, что у сна есть несколько разнообразных стадий и фаз.
Сон ― это неоднородный процесс. Как только мы засыпаем, мы попадаем в такую стадию, которая характеризуется относительным снижением частоты на электроэнцефалограмме (это запись суммарной активности мозга) и относительным увеличением амплитуды. Затем организм как бы продолжает двигаться в сторону глубокого сна, и когда организм попадает в этот глубокий сон, то такое состояние характеризуется максимальной амплитудой на электроэнцефалограмме и минимальной частотой за весь период сна.
Когда мозг добирается до этих самых глубоких стадий сна, то он начинает двигаться в обратном направлении и постепенно как бы увеличивает свою активность, проходя через вот эти промежуточные стадии. Он попадает в стадию, которая называется сном быстрых движений глаз. Это очень характерный такой период, когда видно, как спящий человек двигает глазами. В этот момент при записи электроэнцефалограммы суммарной активности мозга видно, что частота активности мозга и амплитуда таковы, что это очень похоже на стадию бодрствования.
Из-за этого стадия быстрых движений глаз иногда называется парадоксальным сном, потому что, с одной стороны, мы спим, с другой стороны, получается, что наш мозг очень здорово активен. Во время этих стадий может увеличиваться и увеличивается и температура мозга, и кровоток, и очевидно, что нейроны находятся в состоянии такого достаточно активного функционирования.
Затем, пройдя через эту стадию быстрых движений глаз, мозг опять начинает постепенно свою активность снижать, через промежуточные стадии медленно-волнового сна попадая в самый глубокий сон, и опять движется в обратном направлении. С течением ночи за восемь гипотетических часов нашего сна мы, получается, несколько раз проходим через все эти стадии ― от самого глубокого до самого поверхностного сна, причем первая часть ночи в большей степени характеризуется глубоким сном, а последующая половина в большей степени характеризуется сном быстрых движений глаз. Чем больше мы спим, тем больше продолжительность нахождения в этой стадии быстрых движений глаз и тем, соответственно, чаще наступает эта стадия.
Когда-то казалось, что мы видим сны только во время стадии быстрых движений глаз, но аккуратные исследования, проводимые на студентах, как правило, факультетов психологии по всему миру, ― именно эта аудитория готова участвовать в такого рода экспериментах, ― показали, что мы видим сны и во время глубокого сна. Для этого студентов специально опрашивали в течение дня, что они делали. Они очень все скрупулезно записывают, а затем приходят спать в лабораторию, где у них проводят регистрацию суммарной активности мозга ― электроэнцефалограмму, регистрируют движения глаз, регистрируют активность мышц и таким образом имеют возможность точно сказать, в какой стадии в данный момент находится человек.
А дальше можно в определенные моменты будить человека и спрашивать, что ему снится. И оказалось, что не только сон быстрых движений глаз имеет сновидения. Сновидения, правда, снятся разные в разных стадиях. Последние исследования вроде бы позволяют говорить о том, что стадия медленно-волнового сна в большей степени характеризуется повторами того, что было с нами в реальности, а определенная какая-то мешанина из того, что было с нами в течение дня, характерна для стадии быстрых движений глаз.
Например, если студент говорит, что он в течение дня слушал лекции по химии, а потом шел по университету, встретил Джона, и они обсуждали эти лекции по химии, а вечером он смотрел передачу про Гавайи, то во время медленно-волнового сна с большей вероятностью ему будет сниться, что он разговаривает с Джоном или что-то из лекций по химии, а во время сна быстрых движений глаз ему может сниться, что они вместе с Джоном полетели на Гавайи вместо того, чтобы слушать лекции по химии.
Очень важно, как мне кажется, понимание того, что, собственно, стоит за этими феноменами сновидений. И судя по всему, во время сна происходит повторная реактивация тех нейронных групп, которые мы приобрели в процессе обучения или просто что-то узнали новое в течение предыдущих суток перед сном. Вообще нам могут сниться и какие-то другие события из нашей жизни, не обязательно в последний день, но, по крайней мере, исследования на студентах показали, что чаще всего им снятся события предыдущего дня, с меньшей вероятностью то, что было позавчера, еще с меньшей вероятностью то, что было позапозавчера и так далее.
При этом оказывается, что когда организм засыпает, те нейронные группы, которые были приобретены в течение дня, продолжают свои реактивации. Это было показано очень детально именно на животных, когда крыски бегали в лабиринте таком кольцевом, это очень простое поведение. Она бежит в этом коридорчике и собирает еду. Такой специальный очень гуманный эксперимент ― кормить животное. Вот, собственно, это все, что с ним происходит.
Поскольку у животных обнаруживаются так же, как и у человека, или, скорее, так скажем, у человека так же, как и у животных, или у человека так же, как и у других животных, обнаруживаются нейроны места, то есть нейроны, активирующиеся в определенном месте пространства, то можно сказать, что когда животное перемещается по этому кольцевому лабиринту, одни нейронные группы сменяют в активности другие, то есть в этом месте пространства будет одна нейронная группа, перемещение к следующей точке вызовет активность следующей группы, потом следующей, следующей и так далее.
Если мы будем регистрировать нейроны у этого животного, то окажется, что мы можем, не глядя на животное, сказать, в какой точке пространства оно сейчас находится, из-за того, что сейчас активна эта группа, потом эта, эта, эта, и я могу сказать, что да, оно перемещается вот в этом направлении. И если продолжить эти эксперименты по регистрации нейронной активности и в периоды сна, то, как было показано, оказывается, что у этого животного продолжают активироваться эти нейронные группы. И когда животное спит, в точно такой же последовательности нейронные группы сменяют друг друга. Кажется, что животному снится, как оно продолжает бежать по этому кольцевому лабиринту.
Мы не можем, естественно, спросить у животного, снится ему это или нет, но активация, смена активации одних нейронных групп на другие позволяет предполагать, что именно это сейчас происходит у животного, вот этот возврат к тому опыту, который был приобретен в предыдущий день. При этом, что интересно, такие последовательности в некоторых случаях вроде бы показывают, что активность нейронов при этом может быть меньше, то есть нейроны активируются уже не с такой частотой, а с чуть меньшей. Но все равно последовательности эти воспроизводятся.
Если мы возьмем возможность регистрации активности мозга у человека, то регистрация отдельных нейронов затруднена, потому что это требует имплантации электродов. Есть возможность регистрировать, например, функциональную магнитно-резонансную томографию, поместив человека в специальный аппарат, где по кровотоку можно сказать, что сейчас активность распределена по мозгу определенным образом.
Если мы разделим весь мозг на крошечные кубики с тем разрешением, которое допускает наш аппарат, получится, например, что весь мозг у нас состоит из небольших кубиков, которые называются вокселями, 500 на 500 на 500 микрон, и мы можем сказать про каждый такой кубик внутри нашего мозга, в какой степени он сейчас активен. То есть мы не видим отдельных клеток, которые связаны с определенными местами, как, например, нейроны места, но все равно мы можем оценить паттерны активации по всему мозгу.
И можно было бы сказать, какие вещи снятся человеку, и такие эксперименты тоже были проведены. Для этого испытуемым показывали множество самых разных картинок, например, предметы мебели, какие-то лица персонажей, буквы ― множество, множество, множество разных картинок и при этом регистрировали, как выглядят эти сложные паттерны активности по мозгу или по каким-то частям мозга. Тут вопрос заключается в том, насколько у вас есть мощности для последующего анализа этой активности, которую вы записали.
И, соответственно, можно было бы сказать, что если показывают, например, кошечку, изображение кошки, то это определенный пространственно-временной паттерн по активности мозга. Тогда можно было бы, регистрируя активность мозга во время сна, подсмотреть, а на что сейчас больше всего похожа такая вот активность, которая сейчас наблюдается. И в этих экспериментах оказалось, что такие вещи делать можно.
Человека будили в какой-то момент, спрашивали, что ему снится, он говорил: «Мне снились какие-то буквы, например, какие-то изображения разных букв». При этом было видно по активности нейронов, специальная программа анализирует, на что сейчас больше всего похожа активность мозга в данный момент. Можно было бы действительно сказать, что у человека сейчас был с буквами какой-то сон. И люди действительно затем подтверждали это рассказом, что им сейчас снилось. В этом смысле получается, что если у нас есть возможность регистрировать такие пространственно-временные паттерны активности, не сами нейронные группы, все-таки немножко грубее получается картина, но тем не менее получается, что есть возможность как бы на эти сновидения смотреть.
И еще один очень важный момент заключается в том, что если улучшение памяти, обнаруживаемое после сна, связано с тем, чтобы определенные нейронные группы активировались и как-то перестраивали свою активность, может быть, каким-то модификациям подвергались, то потенциально это означает, что если мы заставим нейроны активироваться во время сна, то мы должны инициировать эти изменения памяти.
И такие эксперименты тоже были проведены, например, испытуемым предлагалось ассоциировать определенный запах с определенными картинками во время обучения. Затем они ложились спать, и во время сна им подавали определенный запах, который был связан с определенными картинками. Оказывалось, что именно те пары, которые были реактивированы таким способом во время сна, именно они и демонстрировали улучшение, то есть именно они лучше всего вспоминались этими испытуемыми. В некоторых экспериментах это делалось еще с помощью подачи, например, звуковых каких-то сигналов во время сна.
То есть получается, что нам необходимо спать, потому что во время сна реактивируются наши нейронные группы, связанные с тем опытом, который с нами был, и это приводит к правильным модификациям этих групп с вписыванием этого опыта в тот опыт, который у нас имелся до этого. И если мы направленно будем заставлять наши нейроны реактивироваться во время сна, то мы можем способствовать тому, чтобы наутро демонстрировать какие-то улучшения нашей памяти.
Очень важный вопрос, как мне кажется, касается того, а кто, собственно, спит и на каких организмах можно изучать сон. И здесь есть разные мнения на этот счет. Есть мнение, что сном мы можем называть такие состояния, при которых мы наблюдаем, например, наличие сна быстрых движений глаз и глубокого сна. Тогда мы, наверно, должны говорить о том, что другие, условно говоря, более простые организмы типа насекомых не спят.
Но если мы будем говорить более широко о соноподобных состояниях, то окажется, что очень многие организмы, включая насекомых и мушку-дрозофилу, например, время от времени находятся в состоянии, которое очень похоже на сон. В эти момент у мушки наблюдаются определенные изменения суммарной активности мозга (у мушки тоже есть мозг). В этот момент мушка становится менее восприимчива к сигналам из внешней среды, и, может быть, ей тоже снятся сны, но таких экспериментов я пока на данный момент не знаю.
Ведь это все связано с тем, что принципы организации мозга вообще очень сходны. Если у мушки есть мозг, а он вообще, в принципе, достаточно сложный, там много разных типов нейронов, они как-то между собой объединяются точно так же, как наши нейроны объединяются в эти группы, которые им нужно. Получается, что какие-то принципиальные моменты того, что происходит с нейронными группами одинаковы для мушек и для человека, и мы можем эти фундаментальные вопросы исследовать в том числе и на них тоже.
