Использование электроэнцефалографов произвело революцию в науке о мозге. Если рентген не позволил в свое время Эдисону наблюдать, что происходит в мозге, решающем задачу, то ЭЭГ оказалась на это способна. Любая нейронная активность связана с возникновением и передачей электрических потенциалов, которые могут быть зарегистрированы чувствительным электрическим измерителем — энцефалографом. С помощью ЭЭГ удается воссоздать объемную картину возбуждения различных областей мозга. ЭЭГ стали применять в медицинской практике в 30-е годы прошлого века, но вот присоединить электроды к спящей голове на всю ночь догадались только через двадцать лет.
Использование электроэнцефалографов произвело революцию в науке о мозге. Если рентген не позволил в свое время Эдисону наблюдать, что происходит в мозге, решающем задачу, то ЭЭГ оказалась на это способна. Любая нейронная активность связана с возникновением и передачей электрических потенциалов, которые могут быть зарегистрированы чувствительным электрическим измерителем — энцефалографом. С помощью ЭЭГ удается воссоздать объемную картину возбуждения различных областей мозга. ЭЭГ стали применять в медицинской практике в 30-е годы прошлого века, но вот присоединить электроды к спящей голове на всю ночь догадались только через двадцать лет.
Это впервые проделали ученые Чикагского университета Н. Клейтман и Ю. Азеринский — оба выходцы из России. Их первым испытуемым стал маленький сын Азеринского, который спокойно спал с электродами на голове, а два ученых с интересом наблюдали за этим процессом всю ночь. Результаты записей оказались столь неожиданными, что Клейтман уговорил поспать с электродами и свою дочь. Результаты подтвердились. Оказалось, что во время сна мозг вовсе не бездействует, и его ЭЭГ совсем не похожа на монотонную синусоиду. Во-первых, ЭЭГ спящего резко отличается от ЭЭГ активного или даже отдыхающего человека. Во-вторых, во время сна электрическая активность мозга периодически меняется, формируя характерный портрет последовательных фаз сна. Одна фаза следует за другой, и местами они не меняются. В-третьих, продолжительность одного периода сна — около полутора часов, а всего за ночь проходит четыре-шесть таких периодов.
 Исследование различных фаз сна |
Клейтман и Азеринский подробно описали эти фазы сна. Первая фаза — дремота — наступает, когда мы укладываемся спать. Это совсем неглубокий сон и длится он до 5 минут, если, конечно, несчастного не одолевает бессонница. ЭЭГ этой фазы напоминает ту, что регистрируется во время отдыха. Если дремлющего ничто не потревожит, то дремота переходит во вторую фазу. Она длится до 20 минут, отличается от других появлением на ЭЭГ характерных импульсных всплесков высокой частоты и низкой амплитуды — сонных веретен. Третья фаза — глубокий сон. На ЭЭГ появляются высокоамплитудные волны низкой частоты — дельта-волны, их никогда не наблюдается во время бодрствования. Во время глубокого сна этой и следующей фазы глаза, закрытые веками, совершают медленные движения из стороны в сторону. Четвертая фаза сна — это еще более глубокий сон. На ЭЭГ — дельта-волны, дыхание и сердечный ритм замедляются, температура тела и мозга немного снижается. И вдруг через 20-30 минут глубокого сна мозг вновь возвращается ко второй фазе неглубокого сна. Как будто мозг начинает обратный ход и старается проснуться. Но вместо просыпания, то есть возвращения в первую фазу сна, мозг переходит к пятой фазе, получившей название «РЕМ-сна». Характерный признак этой фазы — быстрое движение глаз из стороны в сторону (rapid eye movement — отсюда название фазы, в противоположность НРЕМ — nonrapid eye movement). У спящего почти полностью пропадает тонус мыщц — так называемая атония, остаются работать только крошечные мышцы слуховых косточек, глазодвигательные мышцы и диафрагма. Зато ЭЭГ мозга становится такой же, как у проснувшегося человека. Учащается сердечный и дыхательный ритм, поднимается температура и давление. РЕМ-сон длится в среднем 10 минут или около того. К концу ночи в последних циклах продолжительность быстрого сна увеличивается. Получается, что у спящего при полной обездвиженности мозг чрезвычайно активен. Из-за этого удивительного сочетания признаков РЕМ-сон получил свое второе название — «парадоксальный сон». После того как фаза РЕМ заканчивается, снова следуют в строгой очередности вторая, третья и четвертая фазы.
 Спектрограмма сна. Белым цветом выделен участок РЕМ-сна |
Во время РЕМ-сна снятся самые эмоциональные и зрелищные сны. Долгое время считалось, что сны вообще снятся только в это время. Спавших будили, когда на ЭЭГ появлялись признаки парадоксального сна, и спрашивали, видели ли они сны. В 90% случаев испытуемые подтверждали, что действительно, их разбудили в середине сновидения. Таких экспериментов было проделано множество. Проверяли даже, снятся ли сны животным. В 1983 году в Пенсильванском университете под руководством Э. Моррисона кошке сделали очень деликатную операцию, разрушив в мозге микрообласть синего пятна — того места, которое отвечает за атонию во время РЕМ-фазы. После операции поведение кошки не изменилось, и ЭЭГ регистрировала нормальный сон с нормальной фазой быстрого сна. И что же? — оперированная кошка во время парадоксального сна вставала, начинала иллюзорное исследование помещения, гонялась за воображаемой мышью, умывалась… Перед глазами пораженных наблюдателей кошка показывала свои сны. Эти опыты были повторены не один раз и не только на кошках: действительно, животные видят самые разнообразные сны, вот только эротические сны им никогда не снятся.
В последнее время доказали, что сны снятся и во время медленного сна. Но только эти сны короче и не такие эмоциональные. Чтобы это проверить, спящих будили во время медленного сна первого цикла и спрашивали о сновидениях. В такой постановке опыта исключалась возможность вспоминания сна из прошлой фазы быстрого сна. В половине случаев испытуемые говорили о сновидениях.
Изучение фаз сна с помощью ЭЭГ открыло новую эру в сомнологии. Появились многочисленные исследования фаз сна у животных. Насколько фазы сна универсальны? Не так просто ответить на этот вопрос, так как методика исследований для каждого животного должна быть особой. Ведь мозг у всех животных отличается, значит будут отличаться и ЭЭГ. Но различия в облике ЭЭГ будут означать всего лишь разницу во внешней регистрации нейрофизиологических процессов, но не в самих процессах. Так, до последнего времени считалось, что у китообразных нет фазы быстрого сна. Только недавние исследования в лаборатории Л. М. Мухаметова в ИЭМЭЖ в Москве показали, что все же фаза быстрого сна у них имеется, хотя и короткая. Джером Сигел, профессор Калифорнийского университета, также недавно подтвердил наличие РЕМ-фазы у примитивных млекопитающих утконосов. Для этого пришлось вживлять тонкий электрод прямо в мозг животному, так как внешние электроды, наложенные на лобные доли, ничего не показывали.
Как выяснилось, все млекопитающие и птицы спят по описанному «сценарию». Только у птиц очень короткая РЕМ-фаза — всего одна-две минуты. А вот у черепах и других рептилий фазу парадоксального сна пока не нашли. Обнаружили только медленный сон третьей и четвертой фазы с дельта-волнами. При этом у черепах глаза медленно двигаются в глазницах, но не из стороны в сторону, а сверху вниз. У низших позвоночных пока не удается содержательно интерпретировать ЭЭГ, а у насекомых трудно даже снять ЭЭГ.
Как мозг организует столь сложную и упорядоченную картину сна? Павлов считал, что в мозге работает единый центр сна, который отвечает за торможение нейронов головного мозга. Однако этот центр великий физиолог не нашел. Зато в мозге нашлось пять или шесть центров бодрствования. Они активизируют работу особых клеток, выделяющих гаммааминомасляную кислоту — основной ингибитор деятельности нейронов. Если этого вещества накапливается много, то наступает торможение всей системы, в том числе и центров бодрствования. То есть цикл сон—бодрствование устроен по принципу обратной связи, и особого центра засыпания нет. Правда, это относится только к засыпанию и фазе медленного сна. А быстрый сон имеет свой собственный штаб. Он находится в заднем мозге и состоит из трех частей: группы клеток, ответственных за атонию во время РЕМ-фазы, и две симметричные группы клеток, отвечающие за активацию мозга по типу РЕМ. Мало того, нашли и специальный фермент, синтезируемый этими группами клеток и принимающий участие в организации быстрого сна, — орексин. Пока, правда, не известно, какую роль выполняет это вещество.
Итак, с помощью анатомии и ЭЭГ портрет сна у высших животных ученые кое-как нарисовали. Осталось лишь, глядя на это изображение, ответить на вопрос: зачем нужно спать?
