Деятели науки вернулись к снам

Деятели науки вернулись к снам
Они говорят, что и по сей день, по сути, неизвестно, что есть такое, собственно, сон.
Ну, и пытаются в этом разобраться.
Пока деятели науки с достоверностью установили лишь то, что сон - он в принципе неоднороден.
Даже и у плодовых мушек, дрозофил, - неоднороден, и это подтверждено опытами.
Исследователи также попытались вникнуть, в то, какими снами были навеяны оставленные на стенах термопилия (нечто вроде общественной столовой) в знаменитых древнеримских Помпеях две с лишним тысячи лет назад изображения.
Но и тут оказалось не все ясно.
Об этом, в сущности, повествуют в своих сегодняшних пересказах специализирующиеся на открытиях науки издания.
Про по-своему примечательный сон дрозофил, когда эта плодовая мушка «практически не реагирует на внешние стимулы и не двигается, однако клетки в составе ее мозга почти так же активны, как при бодрствовании», повествуют в своем пересказе
публиканции в Current Biology «Элеметы».
В нем, собственно, передаются не только современные научные представления о том, что такое есть сон, и не для одной лишь мушки.
Прежде всего разъясняется, что сон - это, собственно, поведение.

Что такое сон: поведение

«Deyateli nauki vernulis k snam4Личный опыт подсказывает, что наше функциональное состояние меняется в течение дня. Сосредоточиться то проще, то сложнее; физических сил тоже то больше, то меньше; обычно под вечер накапливается усталость, и рано или поздно человек засыпает.
Спать не то же самое, что лежать с закрытыми глазами: сон, в отличие от «бодрствующего» лежания, обязательно должен присутствовать в жизни. Во время сна внешние стимулы отходят на второй план, и чтобы спящий их заметил, они должны быть сильнее, чем при бодрствовании. Если по каким-то причинам не выспаться, а на следующий день позволить себе проснуться без будильника, сон продлится дольше, чем обычно. Кроме того, нехватка сна ухудшает внимание и настроение, но это обратимо: состояние улучшается, если выспаться.
По сути, мы перечислили большинство критериев, которым должно удовлетворять состояние организма, чтобы признать его сном. Их сформулировали в начале XX века по итогу наблюдений за различными млекопитающими, в том числе за людьми. Зададим теперь эти критерии в явном виде. Итак, сон характеризуется следующим:
1) это периодически, хотя бы раз в сутки (и обычно каждый день примерно в одно и то же время) повторяющиеся эпизоды, когда организм неподвижен,
2) во время этих эпизодов животное часто принимает одну из специфических для такого состояния поз, как правило, не в случайном месте (скажем, человек обычно спит лежа в кровати),
3) многие стимулы, на которые при бодрствовании организм отреагировал бы, во время сна остаются без внимания, поскольку повышаются пороги чувствительности (слуховой, тактильной и прочих),
4) количество сна регулируется потребностями организма в нем: после слишком короткого сна животное спит дольше, чем обычно (конечно, при условии, что ему никто не мешает),
5) наконец, сон — это обратимое состояние, из него можно перейти в бодрствование,- разъясняется в пересказе.

Однако сон это не одно только лишь «поведение», это еще и - «активность нервной системы».
При этом в состоянии именуемом сном «главную роль играет электрическая активность головного мозга».

Что такое сон: активность нервной системы

«Deyateli nauki vernulis k snam2Если начать проверять, справедливы ли перечисленные характеристики для того состояния, в котором животное пребывает здесь и сейчас, мы, скорее всего, это животное разбудим — сработают критерии 3 или 5. Либо будем вынуждены наблюдать долго, несколько дней, дабы понять, выполняются ли критерии 1, 2 или 4. Это не слишком удобно. Кроме того, не появится ответа на вопрос, что происходит внутри организма во время сна.
Надо сказать, что этот вопрос долгое время почти никого не интересовал. Вплоть до середины XX века исследователи считали, что сон — это отдых нервной системы, торможение ее работы. Так, кстати, думал и Иван Павлов. Конечно, были те, кто сомневался в столь простой нейробиологической трактовке сна, но они долгое время оставались в меньшинстве. Так, биолог Мария Михайловна Манасеина, проводившая в конце XIX века опыты по лишению сна на собаках, писала: «ученые, признающие сон за остановку или диастолу мозговой деятельности, ошибаются, так как во время сна мозг вовсе не спит, не бездействует весь целиком, а засыпанию подпадают только те части его, которые составляют анатомическую основу, анатомический субстрат сознания». Но данных, позволяющих подтвердить эту мысль, у Манасеиной не было.
Доказательства — по сути, случайно — появились у Евгения Азеринского (Юджина Асерински), который в 1952 году обнаружил необычную электрическую активность мозга во время сна. По интенсивности она была очень похожа на ту, что наблюдалась у людей при бодрствовании. Более того, испытуемые в такие моменты двигали закрытыми глазами, как будто смотрят на быстро сменяющие друг друга предметы. Но сомнений в том, что они в это время спали, тоже не было: их мышцы (за исключением глазодвигательных) были парализованы, реакции на внешние стимулы — заторможены. Если испытуемых будили во время быстрых движений глаз, они часто могли рассказать содержание своих сновидений. Стало понятно, что сон — это не пассивный отдых, а активный и многофазный процесс.
За столь необычные характеристики обнаруженная Азеринским фаза сна получила название парадоксального сна или фазы быстрых движений глаз (БДГ по-русски; REM, от rapid eye movement, по-английски). Выделили и противоположную ей фазу, назвав ее незамысловато: non-REM sleep (NREM), то есть любой сон, для которого не выполняются критерии фазы БДГ. Часто ее называют медленным, или медленноволновым сном (slow-wave sleep, SWS), но иногда понятие медленного сна сужают до одной из трех стадий NREM-сна.
Во время медленноволнового сна электрическая активность клеток головного мозга проявляется на электроэнцефалограмме в основном в виде низкочастотных (1–4 герц, это так называемый дельта-ритм) волн. Отсюда «медленный» в названии фазы. В подробности характеристик энцефалограмм при разных фазах и стадиях сна нам вдаваться не обязательно, достаточно усвоить главную мысль: деление сна на фазы и стадии сейчас производится на основе не только поведенческих, но и физиологических критериев, — в первую очередь по тому, какая электрическая активность мозга регистрируется в тот или иной момент времени. Важны также частота дыхательных движений, сердцебиения и, как уже было сказано выше, движений глаз. Весь этот комплекс параметров можно регистрировать с помощью полисомнографии, пока испытуемый спит, и по полученным данным сразу же определять, какая фаза сна идет у него в данный момент.
Итог: сон — состояние, которое выявляют и характеризуют и по поведению особи, и по различным физиологическим показателям, среди которых главную роль играет электрическая активность головного мозга,- расшифровывается в пересказе.

Но со сном в принципе-то дело оказалось не совсем простым, а сложноватым.
Даже и определить спят ли, скажем, насекомые, или какая-то конкретная муха - довольно сложно.
Это (то есть, что у мухи наличествует сон) деятели науки, собственно, и показали-то относительно недавно - в 2000-м году.

Сон у мух

«Deyateli nauki vernulis k snamКритерии сна вырабатывали, опираясь на поведение и физиологию млекопитающих, в частности человека. Поэтому определить, спят ли животные, к этой группе не относящиеся, бывает сложно. Как, к примеру, зарегистрировать активность мозга рыбы с помощью электроэнцефалографа, если учесть, что та находится в воде? Сейчас это уже вполне возможно сделать, но изначально задача не была легкой.
Нервные системы рыб и млекопитающих устроены по общему плану, так что сравнивать их активность во время сна и бодрствования довольно просто. Сложнее дела обстоят с беспозвоночными, у которых план строения нервной системы отличается от «позвоночной». Поэтому, как правило, наличие сна и (или) его отдельных фаз у беспозвоночных подтверждают по поведенческим критериям, а потом — и то с допущениями — по нейрофизиологическим.
Так было и с дрозофилой. Наличие сна у мухи показали в 2000 году. Периоды, когда насекомое сидело неподвижно и почти не реагировало на внешние стимулы, повторялись по нескольку раз каждые сутки, а если мухе продолжительное время мешали так сидеть, то после того, как ее оставляли в покое, она оставалась неактивной дольше обычного. Что при этом происходит в мозге дрозофилы, не выясняли, но пробовали вводить ей кофеин, позволяющий людям некоторое время быть активнее. На мух он действовал сходным образом, из чего исследователи сделали вывод, что нейронные механизмы человеческого сна и заново открытого состояния дрозофил могут быть похожи.
В последние годы стало возможным измерять уровень активности дрозофил не только по тому, сколько они совершают движений и как охотно реагируют на стимуляцию, но и по «поведению» их нервных клеток, в первую очередь в скоплениях, служащих аналогом нашего головного мозга. Оказалось, что в целом во время сна активность мозга мухи снижается, но при этом есть буквально два десятка клеток, которые при бодрствовании «молчат», а во время сна, наоборот, посылают множество сигналов. «Сонные» сигналы идут по длинным отросткам этих нейронов, аксонам, в дорсальную часть вееровидного тела (далее дорсальное вееровидное тело) — одно из скоплений нервных клеток в голове мухи. Вееровидное тело входит в так называемый центральный комплекс ганглиев (рис. 3), по функциям похожий на базальные ядра человеческого мозга. В центральный комплекс приходят сигналы от множества источников, а он интегрирует их в общую картину мира и обеспечивает насекомому сознание — конечно, более примитивное, чем человеческое.
Сначала сон дрозофилы рассматривали как однородное состояние, которое можно «включить» и «выключить» с помощью дорсального вееровидного тела. Но в 2013 году ученые из Квинслендского университета под руководством Бруно ван Свиндерена (Bruno van Swinderen), исследовав одновременно и поведение мух, и активность их центрального комплекса, показали, что сон дрозофил неоднороден. Он становится то глубже, то поверхностнее, и в разное время для пробуждения мухи требуются стимулы разной силы. Это позволило предположить, что сон насекомого делится на фазы, как и у млекопитающих,- поясняется в пересказе про сон у мушки.

Чтобы понять, что происходит во сне, какие фазы у него имеются, понадобились специальные исследования - со своей методикой.

Новое исследование: методика

«Deyateli nauki vernulis k snam1Чтобы доказать деление сна конкретного животного на фазы, нужно найти у него различия в активности разных участков мозга во время сна. Но до недавних пор исследователи концентрировались на регистрации электрических сигналов в дорсальном вееровидном теле. Соответственно, не было известно, что происходит в других отделах мозга мухи во время сна. Регистрировать активность сотен и тысяч индивидуальных нейронов параллельно долгое время не было возможным, но в новой работе ван Свиндерен и коллеги смогли это сделать с помощью кальциевого имиджинга. Благодаря нему изменения концентрации ионов кальция внутри клетки буквально становятся видны, так как меняется интенсивность флуоресценции красителей, способных связаться с ионами кальция. Для каждой мухи регистрация шла несколько часов кряду.
Кроме кальциевого имиджинга ученые применили традиционную для исследований сна дрозофил методику — регистрацию локального полевого потенциала. В этом случае используются металлические электроды, которые не погружаются в клетки, а касаются межклеточной жидкости над ними. Соответственно, электрические сигналы регистрируются не от одного нейрона, а сразу от множества. Это похоже на ситуацию, когда игру целого музыкального коллектива (а может, и нескольких независимых групп параллельно) на уличном фестивале записывают на диктофон: получить общее представление об игре можно, хотя тонкости индивидуальной работы слышны не будут.
Локальный полевой потенциал регистрировали в зрительных долях мозга дрозофилы, получающих информацию от глаз. Это нужно было, чтобы понимать, в какие моменты муха реагирует на визуальные стимулы — вспышки ультрафиолета с длиной волны 405 нанометров. Ранее уже было показано, что такой сигнал бодрствующие мухи отлично замечают. Во время сна же реакции на него могли быть заторможены. До этого исследования не было понятно, насколько они затормаживаются. Реакции спящих и бодрствующих мух на стимулы проверяли и проверяют в основном, дуя на них специальным устройством, и в новой работе это тоже делали.
Как одновременно записывать электрическую активность зрительных долей, изменение концентрации кальция в отдельно взятых нейронах и реакции мух на ультрафиолет и дуновение воздуха? Если бы дрозофилы были полностью свободны в своих перемещениях, этого бы не получилось сделать. Поэтому их фиксировали на одном месте, но так, чтобы они могли двигаться: сажали насекомое на вращающийся шар, а грудь мухи приклеивали к палочке. Мозг дрозофилы все время оставался примерно на одном месте, что удобно для нейрофизиологических измерений, но само животное могло перебирать ногами, показывая тем самым, двигается оно или нет, реагирует ли на направленный на нее поток воздуха.

Новое исследование: результаты

Deyateli nauki vernulis k snam3Движения, восприимчивость к внешним стимулам и электрическая активность мозга зафиксированных дрозофил Deyateli nauki vernulis k snam5показали, что у мух есть по крайней мере четыре различных состояния. Во время бодрствования наибольшее число нейронов центрального комплекса генерирует сигналы, а пороги чувствительности и к ультрафиолету, и к потокам воздуха самые низкие. Засыпая, муха прекращает двигаться, а активность ее центрального комплекса ганглиев постепенно падает вместе с чувствительностью. При глубоком сне подавляющее большинство клеток этих ганглиев «молчит», а пороги чувствительности наиболее высоки. Наконец — и это самое интересное — обнаружилось состояние «активного сна», когда на ультрафиолет и на потоки воздуха дрозофила реагирует с трудом, однако ее центральные ганглии почти так же часто генерируют сигналы, как при бодрствовании. Зрительные доли при этом заторможены.
При парадоксальном сне млекопитающих наблюдается примерно то же самое: мозг работает почти как при бодрствовании, но движений нет — ни спонтанных, ни в ответ на внешние стимулы. Активный сон мух мог длиться очень недолго, всего одну — пять минут. В более ранних исследованиях такие периоды неактивности даже не рассматривали в качестве вероятных эпизодов сна.
Deyateli nauki vernulis k snam6Исследователи проанализировали, как меняется концентрация ионов кальция в различных отделах мозга дрозофилы: этот параметр и отражал активность клеток. Нейроны, стимулирующие работу дорсального вееровидного тела, при активном сне работали. Ван Свиндерен и коллеги попробовали провести обратную операцию — оптогенетически простимулировать их и посмотреть, на что при этом будет больше всего похоже состояние дрозофилы. Выяснилось, что по уровню активности центрального комплекса ганглиев оно напоминает бодрствование, но реакций на внешние стимулы практически нет, как во сне, и зрительные доли «замолкают».
Означает ли это, что группа нейронов, отправляющих сигналы в дорсальную часть вееровидного тела, обеспечивает дрозофилам сон, похожий на парадоксальный? Стопроцентно точно на этот вопрос не ответить. Может быть так, что эти клетки только подавляют реакции зрительных долей на различные стимулы, а состояние, возникающее при их стимуляции, сном и не является — тем более что оно часто длится всего несколько минут и (или) наблюдается непосредственно перед пробуждением.
Однако есть по меньшей мере один аргумент в пользу того, что активация нейронов дорсального вееровидного тела действительно представляет собой фазу сна, похожую на парадоксальный. Как и БДГ-сон у человека, предполагаемый активный сон дрозофилы восстанавливает нормальный уровень зрительного внимания, предварительно ухудшенный недостатком сна (перед экспериментом насекомым 24 часа мешали спать). Зрительное внимание у мух проверяли, показывая им заведомо привлекательную видимую цель и одновременно отвлекая их другими визуальными стимулами. Дрозофилам предварительно подрезали крылья, чтобы они могли только ходить по ограниченной платформе, а не лететь к цели, и анализировали траекторию их передвижений. Чем меньше мухи отклонялись от прямой, ведущей к главному зрительному стимулу (его показывали и спереди, и сзади), тем более внимательными они считались,- отмечается в пересказе. Но многое - в том числе и ответы на вопросы для чего служит «предполагаемый аналог парадоксального сна дрозофил» и «чем отличается от медленного сна в плане функций и активности конкретных нейронов в определенных частях мозга, к чему из уже известных нам состояний позвоночных и беспозвоночных он близок, чем от них отличается» - пока осталось не проясненным. Не только это, но и многое другое деятели науки надеются узнать - «учитывая, что сейчас можно не только наблюдать за сном, но и вызывать его, стимулируя определенные нервные клетки». «Независимо от того, правильно ли называть заново открытое состояние дрозофилы парадоксальным сном или нет, из нового исследования понятно одно: сон этого насекомого неоднороден. В сложности строения сна дрозофила не одинока среди беспозвоночных: не так давно подтвердили, что у признанных интеллектуалов мира животных без хорды, лекарственных каракатиц, сон тоже делится на фазы, и одна из них похожа на БДГ-сон. Вполне вероятно, что и другие беспозвоночные скоро присоединятся к этому списку,- отмечают в своем пересказе «Элементы».

Такое непростое, мягко говоря, с точки зрения современной науки оказалось это явление - мушиный сон, точнее - сон мушки, дрозофилы. Но его для чего-то дала тем мушкам эволюция.
По сравнению с ним, деятелям науки, быть может, проще разъяснить про то, какие сны витали над забредавшими в термопилий (нечто вроде общественной столовой) в знаменитых древнеримских Помпеях посетителями.
Или - над теми, кто оставил на стенах того термопилия любопытными изображениями.
О той росписи в своем пересказе повествует вездесущая «Наука и жизнь».

«Крупная чёрная собака с вытянутой мордой и острыми ушами в ошейнике привязана за поводок у стены. Она довольно упитанна и не выглядит несчастной. Похоже, художник знал модель или, по крайней мере, нередко видел таких собак. Пёс написан в несколько импрессионистской манере – широкими мазками он запечатлен со слегка приоткрытой пастью переминающимся с лапу на лапу. И вновь историческая реальность идёт рука об руку с искусством: в углу термополия археологи раскопали полный скелет собачки. В отличие от нарисованного, этот пёс был собакой-компаньоном типа левретки.
И последняя картина на прилавке была явно самой представительной. Во-первых, она занимала большую по сравнению с остальными площадь. Во-вторых, её сюжет вообще не связан с заведением общественного питания. На фоне насыщенного синего цвета изображена сидящая верхом на морском коне-гиппокампе водная нимфа-нереида. В левой руке она держит золотую лиру. Всадницу сопровождают две рыбы,- передается в пересказе про изображения, сделанные в харчевне Помпеи более чем две тысячи лет назад.

Зачем и для чего оставлены были именно эти изображения - остается пока только гадать.
Про прочие сны деятели науки пока не извещают.
Быть может, каких-то прорывных открытий по ним пока не сделали.
Но они уже, видимо, не за горами.