Статьи
Статья

Наука о сне

Кто спит одним полушарием мозга и одним глазом? Как животным удается спать между вдохами? Какие открытия помогла сделать ЭЭГ? 

История наблюдений

Ровно 170 лет назад, в 1849 году, немецкий физиолог Эмиль Генрих Дюбуа-Реймон предположил, что мозг обладает электрогенными свойствами, то есть порождает слабые токи. С 1875 года началась история электроэнцефалограммы (ЭЭГ). В Англии врач Ричард Катон замерял сигналы от мозга обезьян, а в России молодой физиолог Василий Данилевский писал докторскую диссертацию, изучая электрическую активность мозга у собак. В 1880-е Иван Сеченов обнаружил ритмическую электрическую активность мозга у лягушек, а Николай Введенский применил телефонический метод регистрации для измерения ЭЭГ кроликов. Первым ЭЭГ собаки опубликовал ученый-физиолог Владимир Правдич-Неминский в 1913 году. Он совершил измерения без повреждения скальпа животных, с помощью струнного гальванометра — и это была революция. Также он ввел термин «электроцереброграмма» и первую классификацию частот, обнаружив альфа- и бета-ритмы, поэтому его по праву считают отцом современной ЭЭГ.

95 лет назад этот метод впервые был опробован на людях. Немецкий физиолог и психиатр Ханс Бергер назвал точную дату полученной им первой ЭЭГ человека — 6 июля 1924 года. Работа была опубликована спустя пять лет, в 1929 году. То есть уже 90 лет ученые регистрируют биотоки мозга людей: здоровых и больных, младенцев и стариков, бодрствующих и спящих. В 1953 году с помощью ЭЭГ было сделано интереснейшее открытие: американские нейрофизиологи Натаниэл Клейтман и Юджин Азеринский открыли и описали фазу быстрого (парадоксального) сна и впервые связали ее со сновидениями. Они проводили множество опытов со спящими и даже специально будили их в быстрой фазе, чтобы узнать, какие они видят сны. Так появилась новая наука онейрология — она изучает сновидения.

Сегодня известно, что спят все млекопитающие, включая дельфинов и китов, спят и насекомые, и моллюски, и черви, и медузы, и даже деревья. По последним данным, рыбки-немо и ящерицы тоже видят сны. Выяснилось много интересных фактов. Например, крокодилы спят половиной мозга и с одним открытым глазом. А самыми малоспящими являются лошади и слоны — им достаточно вздремнуть два-три часа в сутки, а если угрожает опасность, они могут не спать по 24 часа и прекрасно себя чувствовать, не нуждаясь в дополнительном отдыхе. Остановимся на нескольких феноменах сна поподробнее, ведь за этими открытиями стоят десятилетия научных наблюдений.

Как спим мы?

Сон людей, всех наземных млекопитающих и птиц делится на две стадии: медленную и быструю, парадоксальную. Человек проводит в медленной фазе примерно 80% сна, а оставшиеся 20% — в быстрой: в это время тело как будто парализовано, а мозг показывает высокую активность, схожую с бодрствованием. Особой приметой парадоксального сна являются быстрые движения глаз — в научных работах они называются rapid eye movement (RЕМ). Парадоксальный сон или его признаки были зарегистрированы у всех изученных наземных млекопитающих — это около 100 видов, а также у птиц. В этом году те же фазы сна, что и у человека, обнаружены у аквариумной рыбки данио-рерио. В предыдущих исследованиях ученые открыли смену фаз сна у ящериц двух видов, причем их ЭЭГ сильно отличались. Изучая особенности сна у простейших видов, физиологи сделали вывод: способность спать появилась у животных еще до разделения эволюционных линий человека и червя-филярии, произошедшего примерно 700 млн лет назад.

Любопытно, что жвачные млекопитающие продолжают движения челюстей во время медленноволнового сна, но прекращают жевать во время парадоксального сна. Мозг может засыпать частично: например, ЭЭГ обезьяны показала, что зрительная кора «заснула», в то время как моторная кора продолжает демонстрировать активность. И действительно: обезьяна спала, но шевелила лапой. Так появилось представление о локальном сне у наземных млекопитающих.

Как спят водоплавающие?

Млекопитающие спят на ровных поверхностях, хотя есть, конечно, исключения. Шимпанзе делают гнезда, а слоны лишь 10 из 35 ночей проводят лежа. Но при этом под ними ровная земля. А вот как спят водоплавающие животные? Особенно те, кому нужно постоянно быть в тонусе из-за волн, холода, опасностей и необходимости дышать воздухом?

Книга профессора Джона Лилли «Человек и дельфин», вышедшая в 1961 году, заставила российских ученых из Института эволюционной морфологии и экологии животных им. А. Н. Северцова задуматься над этой тайной. Ведь сон, особенно в своей быстрой фазе, связан с неподвижностью, а морские млекопитающие практически не замирают. Если они перестанут двигаться, то могут замерзнуть или перестать дышать. Дыхательные паузы у дельфинов очень короткие. Например, черноморским афалинам нужно всплывать и делать вдох каждые 15 секунд. Когда же, спрашивается, спать?

В 1973 году была организована экспедиция на Черное море — в район мыса Большой Утриш, неподалеку от Анапы. В научных целях были отловлены черноморские афалины и началось исследование их сна с помощью ЭЭГ. Так было сделано удивительное открытие. Оказалось, что мозг этих животных никогда не спит целиком, а полушария головного мозга спят по очереди — причем это не быстрая фаза, а глубокий медленный сон. Сначала ученые подумали, что асимметрия в ЭЭГ дельфина — случайность, но при дальнейших исследованиях факт подтвердился: дельфинам действительно свойственен чередующийся однополушарный медленный сон. Более того, они спят одним полушарием и одним глазом. Когда спит правое полушарие мозга дельфина, закрыт его левый глаз, и наоборот. В ходе наблюдений ученые заметили, что открытый глаз, как правило, смотрит в сторону партнера, матери или детеныша. То есть дельфины «спят и видят» одновременно — и это не метафора.

Позже оказалось, что такой же сон «наполовину» свойственен всем видам зубатых китов, а также ушастым тюленям, крокодилам и морским котикам, когда они спят в воде. Отсутствие быстрого сна у дельфинов и родственных им китов специалисты объясняют тем, что половина их мозга всегда бодрствует: это сохраняет мозг и в особенности ствол головного мозга теплыми и делает парадоксальный сон ненужным.

Ученые отмечают, что китообразные прошли удивительный путь эволюции: от теплокровных наземных животных пакицетов (Pakicetus) до водоплавающих, которым экстренно пришлось научиться спать и дышать одновременно. Они переселились в воду примерно 50–70 млн лет.

Совсем иначе спят касатки: они просто зависают у поверхности воды и дрейфуют по несколько часов, наслаждаясь сном. Но эту радость могут себе позволить только взрослые особи с большой массой и высоким содержанием подкожного жира. А вот новорожденные детеныши спят в движении, пока не подрастут и накопят запасы жира, который поможет поддерживать температуру тела.

Обычные тюлени и моржи отдыхают на суше. Но если тюленю случится заснуть в воде, он будет постоянно пробуждаться, чтобы всплыть и вздохнуть. ЭЭГ показывает, что эпизоды сна этих животных в воде имеют типичную для млекопитающих смену медленной и быстрой фазы, регулярные пробуждения и быстрое восстановление сна после актов дыхания.

Как спят растения?

Всем известно, что у растений, как и у животных, есть свои биоритмы. Многие цветы складывают лепестки в бутоны к ночи и раскрывают их по утрам. Чарльз Дарвин отмечал изменения движений листьев и стеблей по вечерам, но современные ученые пошли еще дальше. Группа специалистов из Австрии, Финляндии и Венгрии измерила «движение сна» у деревьев, применив лазерное сканирование инфракрасным светом, отраженным от листьев. Оказалось, что ветви и листья после заката постепенно отвисают, достигая максимально низкого положения за пару часов до восхода солнца. Утром деревья «просыпаются» и возвращаются в исходное положение в течение нескольких часов. Для достоверности эксперимента он проводился в спокойных погодных условиях с двумя разными видами берез: 14 в Финляндии и 77 в Австрии.

«Наши результаты показывают, что все деревья опускают ветки в течение ночи. Можно заметить изменение позиции листьев и ветвей, — сообщил Ээту Путтонен из Финского геопространственного научно-исследовательского института. — Изменения не слишком велики: деревья высотой в среднем около 5 м опускают ветки только на 10 см, но процесс этот имеет систематический характер».

Специалисты по онейрологии пока не могут ответить на вопрос, что снится растениям и животным, хотя всерьез убеждены, что в быстрой фазе млекопитающие смотрят свое «ночное кино». Люди также редко могут вспомнить и описать свои сны. О причинах плохой памяти на сновидения мы рассказывали в материале «Почему мы забываем?».

Читайте также
Испытатель российской вакцины заразился коронавирусом. Препарат не работает?
Испытатель российской вакцины заразился коронавирусом. Препарат не работает?
Большинство считает, что вакцина обязана предотвращать заражение. Но это не так.
Как поймать темную материю
Как поймать темную материю
Темная материя есть даже в вашей комнате, но как ее поймать?
Венера — наша историческая родина?
Венера — наша историческая родина?
Благодаря находке фосфина в облаках Венеры, астрофизики обрели веру в возможность обнаружения внеземной жизни.