Почему мы все-таки спим? Ученые наконец это выяснили

Ученые впервые получили ответ на вопрос: почему людям и животным вообще нужно спать? Новое исследование показывает, что наш мозг во время сна возвращается к «настройкам по умолчанию», от которых отклонялся во время бодрствования. Об этом сообщает Вашингтонский университет в Сент-Луисе (США).

Сон как воздух, еда или питье — одна из главных потребностей человека, без сна он умрет. Однако до сих пор не удавалось объяснить, почему он так важен. Одна из наиболее популярных ранее теорий утверждала, что во сне восполняются некие, пока неизвестные, химические вещества, израсходованные в часы бодрствования.

Биологи и физики из Вашингтонского университета предложили совсем иное объяснение. Гипотеза основывалась на принципе критичности — в физике этим термином называют состояние «золотой середины» между хаосом и полной упорядоченностью. Такое состояние является оптимальным для работы большой многоэлементной системы, в том числе — мозга.

Невероятный компьютер

В своем прошлом исследовании доцент кафедры биологии Кит Хенген и профессор физики Ральф Вессель установили, что мозг стремится к состоянию критичности. Физики считают, что это — единственный известный вычислительный режим, который по самому своему определению оптимизирует обработку информации: память, динамический диапазон и способность кодировать и передавать сложные шаблоны.

В лаборатории, созданной при университете, ученые смогли обеспечить беспрерывное наблюдение за активностью нейронов in vivo в течение долгого времени — до 9 дней. В ходе экспериментов им удалось отследить и состояние критичности, и его нарушение (например, когда один глаз закрывается и мозг не получает привычный объем информации). Также они зафиксировали процесс перестройки работы нейронов, после которой мозг возвращается к той же самой критичности.

Используя эти данные, уже имеющиеся наблюдения коллег и многолетние расчеты физиков, которые изучают критичность в других условиях, исследователи смогли доказать, что именно благодаря состоянию критичности миллиарды независимых нейронов нашего мозга могут так эффективно взаимодействовать.

Перезагрузка и обнуление

Исследование сна стало следующим этапом научной работы.

«Мозг подобен биологическому компьютеру. Память и опыт во время пробуждения постепенно меняют код, медленно уводя большую систему от идеального состояния. Основная цель сна — восстановить оптимальное вычислительное состояние. Сон — это системное решение проблемы системного уровня», — говорит Хенген.

Чтобы понять, как отхождение от идеального равновесия и возвращение к нему связано с циклами сна и бодрствования, ученые отслеживали всплески активности нейронов в мозгу молодых крыс. Такая активность напоминает каскад или лавину и отражает то, как информация проходит через мозг.

В итоге стали понятны закономерности образования «лавин». Мозг, близкий к состоянию критичности, способен генерировать лавину любой масштабности. А вот утомленный мозг с измененным «кодом» ограничен: он склоняется только к большим или, наоборот, наименее масштабным каскадам.

При этом активность мозга у недавно проснувшихся крыс была максимально разнообразной. Но чем дольше животные бодрствовали, тем менее ограниченными становились каскады — все меньшего и меньшего масштаба. Исходя из этого, исследователи даже смогли предсказывать, когда подопытные зверьки готовы заснуть или проснуться.

«Результаты показывают, что каждый момент бодрствования все сильнее и сильнее отдаляет каждую из цепей мозга от критичности. А сон помогает мозгу перезагрузиться», — сказал Хенген.