В головном мозге, в гипоталамусе, а именно в вентролатеральной преоптической области также находится комплементарный центр сна. Когда приходит время ложиться спать, вентролатеральная преоптическая область отправляет сигнал различным компонентам системы бодрствования, завершает их работу и позволяет мозгу отключиться от взаимодействия с внешним миром (рис. 42).
Рис. 42. Вентролатеральное преоптическое ядро – центр сна головного мозга. Ядро направляет сигналы к компонентам системы бодрствования, прекращает их работу и вводит в состояние сна. TMN туберомаммилярное ядро, PeF перифорническая область, vPAG вентральное околоводопроводное серое вещество, LDT латеродорсальное тегментальное ядро, PPT педункулопонтийное тегментальное ядро, LC голубое пятно. Из работы Сэйпера и др. (Nature, 437 (2005): 1257).
Клифф Сэйпер, нейрофизиолог и специалист по сну из Гарвардского университета, выяснил, что центр сна и система бодрствования – это своего рода инь и янь состояний сна и возбуждения. Каждая из систем сдерживает другую, то есть в то время как активизируется одна, другая прекращает свою работу. Выпускник Сэйпера Томас Чоу, который помимо прочего получил диплом по электротехнике в Массачусетстком технологическом институте, предложил Сэйперу объяснить работу систем через аналогию с электромеханическим переключателем. Он используется для переключения электрических цепей, позволяя системе находиться в одном из двух доступных состояний, например в состоянии сна или бодрствования, исключая промежуточные стадии. «Это знания из курса по общей электротехнике, – объясняет Сэйпер. – В нашем случае переключатель сменяет состояние сна на состояние бодрствования без явных промежуточных состояний».
Так как сон и бодрствование являются стабильными состояниями, то организму необходим достаточно сильный импульс, чтобы переключить одно состояние на другое, иначе мы бы никогда не смогли заснуть или проснуться. Известно, что если мы слишком мало спим, заняты тяжелой физической или умственной работой, или не ложимся в постель дольше обычного, то чувствуем сонливость и можем начать дремать. Можно предположить, что в мозге аккумулируется некий «сонный» сигнал, и чем дольше мы не спим, чем усерднее работаем, тем сильнее он становится. Сегодня мы полностью уверены в том, что роль этого сигнала выполняет аденозин, который накапливается в мозге в период бодрствования, особенно быстро его концентрация растет при чрезмерных нагрузках на организм. По мере аккумуляции аденозин начинает блокировать систему бодрствования и активировать вентролатеральное преоптическое ядро. В конце концов, когда концентрация аденозина становится достаточной, щелкает переключатель, и мы засыпаем. Во время сна мозг очищается от чрезмерного количества аденозина, и к утру состояние бодрости восстанавливается. Кофеин блокирует действие аденозина.
Здравый смысл подсказывает, что сон является важным восстановительным процессом для мозга и тела. Последние исследования подтверждают это предположение.
Во время сна мозг очищается от побочных продуктов, которые накапливаются в нем в течение дня в результате нормального метаболизма, в том числе от аденозина. Мозг проводит бережную самореконструкцию, усиливает важные нейронные связи и разрушает малозначительные. Из него выводятся бета-амилоиды, протеины, вызывающие развитие болезни Альцгеймера – одной из самых трагических спутниц старости.
Фундаментальную важность сна подчеркивает тот факт, что все животные, обладающие нервной системой, спят или, по крайней мере, входят в подобные сну состояния. Сэйпер говорит, что «если мы возьмем любой вид, вплоть до простейших беспозвоночных организмов вроде морских слизняков, то увидим, что у всех животных период активности циклически сменяется периодом отдыха». Он считает, что животным необходим сон для отдыха нейронов, которые участвуют в биохимических процессах, связанных с обучением.
Восстановительные процессы, которые протекают во время сна, имеют огромное значение для оптимальной работы мозга. Их нарушение неизбежно приводит к угнетению некоторых функций мозга, и даже хуже. Исследователь сна из Университета Пенсильвании Дэвид Динджес посвятил большую часть своей научной работы изучению воздействий депривации сна на работу мозга. Для одного из своих экспериментов Динджес на две недели распределил добровольцев на группы по длительности ночного сна: восемь, шесть и четыре часа. Каждые два часа в период бодрствования добровольцы проходили множество тестов, специально подобранных для изучения различных аспектов когнитивной функции мозга. Среди них – время реакции, внимание, оперативная память и основные арифметические функции. Результаты эксперимента должны прозвучать как предостережение для тех, кто считает сон простой тратой времени. «По результатам всех тестовых заданий хроническое ограничение ночного сна на время от 4 до 6 часов в течение 14 дней приводит к значительному кумулятивному дефициту когнитивной функции в зависимости от длительности сна».
Другими словами, согласно данным разных исследований люди, которые спят ночью от четырех до шести часов, демонстрируют более низкую когнитивную активность по сравнению с теми, которые спят по восемь часов в сутки. Кроме того, дефицит растет с каждым последующим недосыпанием. Интересно, что добровольцев клонило в сон первые несколько дней недостаточного сна, но потом «испытуемые не осознавали возрастающего когнитивного дефицита». То есть люди, которые систематически не высыпаются, могут даже не осознавать, насколько плохо они функционируют.
В самом худшем случае потеря сна может привести к смерти. Примером такого стечения обстоятельств является редкое генетическое заболевание фатальная семейная бессонница. В результате нейродегенеративного процесса человек с этим заболеванием постепенно теряет способность погружаться в сон. У него развиваются галлюцинации, он начинает бредить, страдать слабоумием и через несколько месяцев умирает. Ученые пока не могут точно сказать, что приводит в этом случае к смерти – потеря сна или другие аспекты нейродегенеративного процесса. Однако состояние пациентов начинало стремительно ухудшаться с появлением бессонницы. Эксперименты на крысах, которые проводили в прошлом, подтверждают гипотезу о смертельном исходе хронической депривации сна. Даже если потеря сна не убивает, то все равно недостаточный или некачественный отдых ночью может расстроить работу мозга и метаболическую активность, что часто приводит к ожирению.
Сладких снов
Вернемся к исследовательской работе Сент-Онже, с которой мы познакомились вначале главы. Ученые не остановились на том, чтобы подсчитать количество потребляемой пищи у недосыпающих добровольцев. Все испытуемые прошли фМРТ, чтобы выявить, каким образом ограничение сна влияет на реакцию мозга в ответ на пищевые раздражители. Как показали снимки, ограничение сна усиливает отклик мозга на раздражители, связанные с едой, особенно высококалорийной и вредной вроде пиццы и пончиков. Область мозга, отвечающая за пищевое вознаграждение, в том числе вентральный стриатум, была наиболее активна у людей, которые мало спали. Возможно, этим объясняется их возросший аппетит.
