Маятник сна

Рубрика «Медленное чтение» представляет книги, вошедшие в длинный список премии «Просветитель» 2021 года. В него вошли 25 из более чем двухсот книг, присланных на конкурс. В сентябре станут известны книги-финалисты в категориях «Гуманитарные науки» и «Естественные и точные науки». Церемония награждения лауреатов книжных премий — «Просветитель» и «Просветитель.Перевод» — состоится 18 ноября в Москве.

Минское издательство «Дискурс» представляет книгу доктора биологических наук Владимира Ковальзона «Маятник сна».

Кто из нас не мечтал поспать подольше и наконец-то выспаться? Люди — единственные существа на Земле, которые могут себе позволить спать по восемь часов подряд… но это не очень полезно. В то же время большинство наших бессонниц — мнимые, а мелатонин, с помощью которого с ними борются, не помогает. Кое-что о сне мы уже знаем. Например, у нас есть фазы медленного и быстрого сна — благодаря их чередованию человек способен мыслить и в принципе существовать. Но главные загадки — чем занят мозг во время сна, почему мы видим сны, как возникает быстрый сон, — до сих пор остаются без ответа. Тем интереснее научный поиск.

Предлагаем прочитать фрагмент раздела книги, в котором рассказывается об истории исследований сна.

 

Натаниэль Клейтман, не оценивший собственное открытие

Среди пионеров изучения сна в доэлектроэнцефалографическую эру необходимо отметить Натаниэля Клейтмана (рис. 14), уроженца Кишинёва, волею судьбы оказавшегося в США в годы Первой мировой войны. Клейтман увлекся проблемой сна в то время, когда эта тема, кажется, еще никого не интересовала, и стал крупнейшим сомнологом первой половины ХХ века — именно он открыл REM-сон (сон с быстрыми движениями глаз). В 1995 году на ежегодной конференции Американского общества по изучению сна отмечалось столетие со дня его рождения. Это событие стало небывалым в истории науки, потому что на чествовании присутствовал сам юбиляр!

 

Рис. 14. Натаниэль Клейтман (1895–1999), крупнейший сомнолог первой половины ХХ века. Источник: Brown C. The Stubborn Scientist Who Unraveled a Mystery of the Night / Smithsonian, 2003. 34 (7). 92

Натаниэль Клейтман еще в гимназии проявил способности к математике и естественным наукам. Решив стать врачом, он поступил на медицинский факультет университета в Бейруте, который в то время был частью Османской империи. Однако успел проучиться там всего год: началась Первая мировая война, Турция выступила на стороне Германии против государств Антанты, и Клейтман как представитель враждебной страны был интернирован. Вместе с ним в изоляции оказались и другие «нежелательные иностранцы», большинство из которых были американцами. Им на выручку пришел американский военный корабль, взявший на борт всех интернированных и доставивший их в гавань Нью-Йорка. Заплатив 25 долларов пошлины и подписав бумагу, в которой он обязался никогда больше не возвращаться в Бейрут, Клейтман сошел на берег американцем.

Он изучал физиологию и психологию сначала в университете Нью-Йорка, а затем — Чикаго, по окончании учебы был оставлен при кафедре психологии на низшей должности инструктора (приблизительно соответствующей нашему препаратору). На этой кафедре Клейтман проработал всю свою жизнь, пройдя путь до «полного профессора». Он увлекся психофизиологией сна и в 1920-е годы проводил опыты по лишению сна на самом себе, которые привлекли внимание Ивана Павлова!

В 1936 году Клейтман опубликовал энциклопедическую по охвату проблемы монографию «Сон и бодрствование». В ней он впервые сформулировал концепцию, которую считал своим крупнейшим научным достижением, — о существовании так называемого основного цикла покоя — активности (basic rest-activity cycle, BRAC). Эта гипотеза намного опередила свое время. Она получила многочисленные подтверждения в исследованиях на людях и экспериментах на животных, проведенных в последние десятилетия, и сегодня является основой одного из наиболее плодотворных и бурно развивающихся направлений в психофизиологии — исследования внутрисуточных биоритмов человека. Сейчас можно считать доказанным, что, помимо 25-часового циркадианного, всю нашу жизнь пронизывает полуторачасовой диурнальный ритм, который днем определяет чередование сонливости и бодрости, голода и жажды, а ночью — смену медленного и быстрого сна.

Однажды Клейтману попалась на глаза работа русских авторов М. П. Денисовой и Н. Л. Фигурина «Периодические явления во сне у детей», опубликованная во втором сборнике «Новое в рефлексологии и физиологии нервной системы» (1926). В ней описывались периодические эпизоды учащения дыхания и движений глазных яблок, сочетавшиеся со снижением общей двигательной активности, во сне у детей от двух месяцев до двух лет. Эта работа послужила отправной точкой для революционного открытия, совершенного четверть века спустя Клейтманом и его аспирантом Юджином Азеринским. Речь идет о сне с быстрыми движениями глаз (REM-sleep; он же парадоксальный, быстрый, активированный, ромбэнцефалический, десинхронизированный сон, сон со сновидениями и пр.). Это открытие изменило все прежние представления о природе сна и, в сущности, положило начало подлинно научному подходу к проблеме.

Сам Клейтман, однако, так не считал, преуменьшая значение собственного открытия. Это явствует из второго издания его книги (1963), которое он подготовил после выхода на пенсию в 1959 году, завершив, таким образом, свою научную карьеру. Согласно точке зрения Клейтмана и некоторых его сторонников, сон — это единый процесс, а фаза быстрого сна является лишь отражением периодического «вторжения» механизмов бодрствования «внутрь» процесса сна. Недаром Клейтман и Азеринский назвали это состояние Stage-1-REM (стадия засыпания (дремоты) с быстрыми движениями глаз), воспринимая его как переходное между бодрствованием и сном. Как писал в одной из своих статей Мишель Жуве, «над всеми американскими сомнологами довлели догматы психоанализа».

Иван Петрович Павлов: не собакой единой

Великий Павлов (рис. 15) чрезвычайно интересовался проблемой сна и считал ее одной из ключевых в изучении высшей нервной деятельности. Общеизвестно его определение сна как «разлитого коркового торможения». После открытия быстрого (парадоксального) сна, то есть сна со сновидениями, казалось, что павловская теория в этой части безнадежно устарела. Разумеется, мысль о разработке физиологии сновидений «и во сне не могла ему присниться», если уместно привести такой каламбур. Однако, рассматривая медленноволновой (медленный, ортодоксальный) сон, да и сон вообще, сейчас, в начале третьего тысячелетия, можно задаться вопросом: «А так ли уж неправ был Иван Петрович в своих представлениях о сне?» Разумеется, в ту, доэлектроэнцефалографическую эпоху эти представления могли быть лишь чисто интуитивными. Тем не менее достаточно вспомнить об открытиях последних лет (о мощной активации тормозных нейронов и выбросе их медиаторов — ГАМК, галанина и аденозина — при медленном сне: она начинается в локальных гипоталамических областях и постепенно распространяется по всему мозгу; о сильнейшей гиперполяризации, характерной для медленного сна как периода своеобразного функционального восстановления нейронов, и т. п.), чтобы убедиться в том, что интуиция на сей раз не подвела гениального ученого.

 

Рис. 15. Иван Петрович Павлов (1849–1936), великий русский ученый, лауреат Нобелевской премии по физиологии

В конце своей долгой жизни, в 1935 году, Павлов высказал следующую мысль: «Ясное дело, что наша дневная работа представляет сумму раздражений, которая обуславливает известную сумму истощения, и тогда эта сумма истощения, дошедшая до конца, и вызывает автоматически, внутренним гуморальным путем (выделено мной. — Авт.), тормозное состояние, сопровождаемое сном». Эту формулировку можно назвать пророческой — она звучит вполне актуально и в наши дни.

Николай Рожанский: как спится птицам

В ХХ веке в России и СССР пионером в изучении физиологии сна был ученик Ивана Петровича Павлова, основатель Ростовской школы физиологов Николай Аполлинариевич Рожанский (рис. 16). В 1913 году он защитил в Санкт-Петербурге диссертацию «Материалы к физиологии сна». В этой работе, выполненной на основе экспериментов на собаках, и в дальнейших публикациях он высказал новое представление о бодрствовании и сне как о сложнейших биологических рефлексах «с эффектом либо разлитого понижения порогов раздражения при бодрствовании, либо разлитого торможения, то есть повышения порогов раздражения, в сонном состоянии».

 

Рис. 16. Николай Аполлинариевич Рожанский (1884–1957), основатель Ростовской физиологической школы, и его установка для записи актограммы суточной активности голубя: а — клетка (для птиц); б — съемная кормушка; в — пружина, поддерживающая подвижную сторону клетки; г — баллон, воспринимающий переменное давление, вызываемое движением животного; д — опорные призмы, обеспечивающие подвижность свободного края клетки; е — капсула, регистрирующая движение рычажка; ж — переменное давление в баллоне. А — суточная актограмма бесполушарного голубя при нормальной смене суточной освещенности; Б — суточная актограмма того же голубя при непрерывном искусственном освещении. Нижняя линия — время в часах (из работы сотрудника Рожанского Р. А. Лемкуля, 1935)

Рожанский также был первым среди ученых в изучении сна у птиц. На основе собственных экспериментов и работ своих сотрудников он пришел к выводу, что существуют отдельно центр сна и центр бодрствования, расположенные в подкорково-стволовой части мозга, так как эти рефлексы сохраняются и у бесполушарных птиц.

Необходимо отметить также вклад академика Константина Быкова, выполнившего в 1930-е годы (вместе с коллективом сотрудников) обширное, но, к сожалению, оставшееся неизвестным исследование по следствий депривации сна у подопытных собак (эту забытую работу недавно обнаружил И. Н. Пигарев).

Открытие электроэнцефалографии

Развитие сомнологии тормозило отсутствие метода, с помощью которого можно было изучать сон. Ведь о том, спит человек или нет, ученые могли судить лишь по косвенным признакам: позе, изменению частоты пульса и дыхания, температуре тела. А оценить глубину сна, не разбудив спящего, то есть не нарушив сон, было вообще невозможно. По той же причине состояние естественного сна ошибочно принимали за нечто сходное с гипнозом, комой, зимней и летней спячкой (гибернацией, торпором) и т. п.

Основой для объективной регистрации сна и ключевым событием в истории всех нейронаук послужило изобретение в 1928 году немецким психиатром Гансом Бергером метода регистрации биопотенциалов головного мозга — электроэнцефалографии (рис. 17).

 

Рис. 17. Ганс Бергер (1873–1941), изобретатель электроэнцефалографии

 

Рис. 18. Гальванометр Бергера и первая запись альфа-ритма человека

Эти потенциалы имеют столь малую амплитуду, что в то время их легко было спутать с артефактами (помехами), регистрируемыми примитивным оборудованием Бергера (рис. 18). Поэтому вначале его открытие восприняли с большим недоверием и признали только через несколько лет — после того как в 1934 году известные британские физиологи Эдгар Эдриан и Брайан Мэтьюс подтвердили его результаты.

Различия в электроэнцефалографических ритмах бодрствующего и спящего человека впервые описал всё тот же Ганс Бергер. Это стало переломной точкой в развитии сомнологии. Объективное изучение сна заинтересовало группы ученых из Гарварда и Чикаго. В 1937–1939 годах был опубликован ряд статей, описывающих основные феномены сна, такие как сонные веретена и дельта-волны. В 1937 году А. Лумис, Е. Харви и Дж. Хобард первыми обратили внимание на непостоянство электрографической картины сна и в 1939 году создали первую классификацию стадий сна (см. далее). Много позднее (в 1976 году) важность объективного изучения дополнительно подтвердила Мэри Карскадон, которая впервые четко показала, что реальная продолжительность сна часто расходится с субъективными ощущениями пациентов.

 

Рис. 19. Фредерик Бремер (1892–1982), бельгийский физиолог

Появление электроэнцефалографии позволило свершиться целому ряду открытий в изучении сна. В 1937 году Фредерик Бремер (рис. 19) в Брюсселе поставил знаменитые опыты на изолированном мозге. Он производил перерезку мозга кошки на уровне нижнего и верхнего отделов ствола и показал, что при перерезке на более низком уровне (когда связи между большей частью ствола и полушариями головного мозга остаются незатронутыми) сохраняется чередование картин сна и бодрствования, а на более высоком — мозг впадает в состояние глубокого сна. Эти результаты явились важной вехой в понимании механизмов бодрствования, хотя и были ошибочно интерпретированы: изначально Бремер пришел к заключению, что мозг засыпает, поскольку снижается приток импульсов от органов чувств.

 

Рис. 20. Джузеппе Моруцци и Хорас Мэгун в Варшаве по возвращении с Московского международного коллоквиума по электроэнцефалографии и высшей нервной деятельности (1958)

Истинную причину наступления сна у кошек Бремера помогли объяснить опыты Моруцци и Мэгуна, выполненные уже после Второй мировой войны, в 1949 году (рис. 20). Они подтвердили, что переход от сна к бодрствованию проявляется десинхронизацией — сменой характера электрической активности мозга от высокоамплитудных низкочастотных ритмов глубокого сна к низкоамплитудным высокочастотным ритмам бодрствования. При этом обнаружилось, что десинхронизация запускается под воздействием определенной структуры, расположенной в стволе головного мозга, — ретикулярной (сетчатой) формации. Далее выяснилось, что, хотя эта структура и активируется афферентными стимулами (идущими от органов чувств), при ее повреждении мозг переходит к непрерывному глубокому сну, как и было показано в работе Бремера.

 

Рис. 21. Ретикулярная формация ствола мозга (по Мэгуну и Моруцци, 1949)

Так была открыта ретикулярная восходящая активирующая система — специальная структура, отвечающая за поддержание бодрствования (рис. 21). Вначале она считалась диффузной (более или менее равномерно распределенной по всему стволу мозга), но современная нейроанатомия описывает десяток конкретных скоплений тел нервных клеток, выделяющих различные химические передатчики. Эти нейронные кластеры — их можно назвать центрами бодрствования — находятся «внутри» системы восходящей активации и формируют ее основу.

 

Ранее в нашей рубрике были представлены следующие книги из длинного списка премии «Просветитель».

 

Обсудите с коллегами

11:00

Возраст человеческих следов, найденных в США, превышает 20 тысяч лет

PRO SCIENCE
23.09

Приключения среди муравьев

PRO SCIENCE
23.09

За гранью возможного

PRO SCIENCE
23.09

Из клеточной культуры получили кофе, на запах и вкус идентичный настоящему

PRO SCIENCE
23.09

Ученые поймали более 5000 птиц, чтобы узнать, как это делали неандертальцы

PRO SCIENCE
23.09

Двуногие динозавры покачивали хвостом при ходьбе

PRO SCIENCE
Основной парадокс состояния сна и его экспериментальное разрешение Основной парадокс состояния сна и его экспериментальное разрешение
Основной парадокс состояния сна и его экспериментальное разрешение