Примерно треть своей жизни человек проводит во сне. Изучению сна посвящено огромное количество научных исследований, но и сегодня у ученых нет однозначного ответа на вопрос о том, зачем все-таки организму тратить столько времени, казалось бы, впустую. Опубликованная в последнем номере Science статья ученых из Бостонского Университета и Медицинской школы Гарварда тоже, конечно, не дает всех ответов, но, по крайней мере, вносит в него некоторую ясность. Оказывается, что одна из важнейших задач глубокого сна, без которого не могут жить ни люди, ни высшие животные — это просто удаление из мозга накопившегося мусора.
О функциях сна задумывались еще древнегреческие философы. Одним из самых влиятельных мыслителей в этой области был Аристотель, чьи взгляды были общепринятыми на протяжении почти всей истории — собственно, до появления нейробиологии как отдельной дисциплины. У него есть целый трактат (Περὶ ὕπνου καὶ ἐγρηγόρσεως) с рассуждениями о происхождении и пользе сна. По мнению Аристотеля, сон — неожиданно — нужен для отдыха. Если точнее, — для отдыха органов чувств, которые не могут бесконечно воспринимать стимулы среды. Кроме того, сон нужен для восстановления питательных веществ и роста.
У этой довольно очевидной теории сегодня есть свое экспериментальное обоснование. Во время глубокого сна потребность мозга в глюкозе действительно падает, в то время как ее концентрация в крови остается постоянной. Энергетическая гипотеза предполагает, что сон — это время, когда нейроны могут пополнить запасы гликогена, истощенные во время бодрствования. Исследования на грызунах и плодовых мушках действительно показывают, что количество гликогена быстро падает после пробуждения, что подтверждает физиологическую необходимость мозга в отдыхе. Однако эта гипотеза не объясняет многого другого: например, почему сон имеет такую значительную длительность, нельзя ли восполнить запасы энергии как-то иначе и вообще — не является ли накопление гликогена просто следствием, а не причиной временного отключения мозга от активной работы?
Исторически сну приписывали еще и лечебную функцию, и рекомендовали его в качестве средства от болезней. Нельзя уверенно сказать, что сон напрямую регулирует иммунитет, но ряд исследований показывает связь хорошего сна и устойчивости к инфекциям; есть даже данные, что люди, которые не высыпаются, чаще болеют простудой. Впрочем, альтернативным объяснением всех этих фактов может быть то, что во сне организм экономит калории, и у него остается больше сил на борьбу с болезнями.
Сегодня наиболее популярная концепция сна, которая получила развитие в последние 20-30 лет, предполагает, что в бессознательном состоянии мозг занят анализом и сортировкой впечатлений, накопленных за день. Другими словами — во время сна происходит консолидация памяти, закрепление воспоминаний и навыков в долговременной памяти. Именно в ходе этого процесса происходит установление новых контактов между нейронами. Однако долгое время казалось, что все это «завязано» прежде всего на фазу быстрого сна — а вот зачем мозгу нужен настолько длительный и, как бы «бессмысленный» глубокий сон, до сих пор было областью, где господствовала все та же энергетическая гипотеза и туманные предположения.
К появлению нового понимания смысла сна привело обнаружение «лимфатической системы мозга»
Важнейшее событие, изменившее современные представления о роли глубокого сна, произошло в 2012 году — в журнале Science Translational Medicine вышла статья, описывающая открытие в мозге некого подобия лимфатической системы. С помощью сложной оптической техники авторы статьи обнаружили в мозге тонкие каналы, пронизывающие нервную ткань и наполненные жидкостью. Открытие этого, по сути, нового органа, который условно назвали глимфатической системой, потребовало сочетания нескольких видов микроскопии высокого разрешения и иммунологических методов окраски тканей. Поэтому неудивительно, что анатомы, тщательно изучавшие мозг на протяжении столетий, об этой системе вообще ничего не знали.
Уже в следующем году в Science вышло продолжение истории — ученые из американского университета Рочестера показали, что глимфатическая система участвует в циркуляции спинномозговой жидкости, и что эта циркуляция происходит именно во сне. Для того, чтобы это доказать, исследователи научили мышей спать в камере микроскопа, позволяющего следить за перемещением красителя в тканях. Во сне животным вводили в спинномозговую жидкость зеленый краситель, а во время пробуждения — красный. Наблюдая за движением краски, исследователи выяснили, что основное перемещение жидкости в мозге происходит во время глубокой фазы сна.
Кроме красителя ученые вводили в мозг мышам бета-амилоид — белок, скопления которого образуют нерастворимые бляшки на нейронах при болезни Альцгеймера. Оказалось, что ночная «промывка» необходима, чтобы вывести амилоид из мозга, и избежать накопления токсичного белка. Так появилась гипотеза о том, что глубокий сон прежде всего нужен для очистки мозга от метаболического балласта.
Активность нейронов оказалась напрямую связана с прокачкой жидкости в мозге
Несмотря на весьма убедительные эксперименты с красителями, новая концепция поначалу была встречена весьма настороженно, ведь глимфатическая система мозга и ее связь с остальным организмом пока изучена довольно плохо. Нынешняя статья в Science существенно усилила позицию «очистительной гипотезы», связав ток спинномозговой жидкости с самой электрической активностью мозга во время сна.
Сделано это было так. При помощи снятия электроэнцефалограммы, наблюдения за током крови и магнито-резонансной томографии, ученые показали, что волнообразная активность нейронов во время глубокого сна синхронизирована с пульсацией крови в сосудах и спинномозговой жидкости. Кроме того, авторы статьи подробно описали направление тока жидкости в мозге и показали, что именно во время фазы глубокого сна происходит смешивание спинномозговой жидкости и тканевой жидкости, которое необходимо для отвода отходов от клеток мозга.
Что все эти новые данные значат для медицины? Согласно новой статье, ночная работа мозга заключается не только в сортировке воспоминаний, но и в удалении метаболического балласта, накопившегося за день. Отсюда следует, что нарушения сна могут привести к развитию заболеваний, прямо связанных с накоплением отходов.
Среди этих отходов, в частности, так называемые амилоидные белки, — те самые, которые образуют на нейронах нерастворимые «бляшки». Согласно современной концепции возникновения болезни Альцгеймера, к формированию амилоидов в мозге в том числе приводят стрессовые воздействия на организм. Если баланс между их образованием и удалением из спинномозговой жидкости нарушен, со временем количество бляшек в нейронах будет увеличиваться. То, что качественный ночной сон необходим для предотвращения развития деменции, подтверждает и недавняя работа в журнале PNAS: единственная бессонная ночь способна увеличить количество бета-амилоида в мозге у человека.
