Сон кажется совершенно пустой тратой времени. Почему наши тела устроены так, что мы проводим треть суток вне активной жизни, когда можно было бы в это время заняться чем-то полезным или интересным? Чем-то, что в качестве дополнительного бонуса меньше бы угрожало нашей жизни, чем когда бы мы спали под открытым небом?
«Сон – очень опасная вещь в дикой природе», – рассказывает Майкен Недергаард, датский биолог, возглавляющий исследовательский центр функции сна в Рочестерском университете. «Он должен выполнять важную функцию. В противном случае он бы исчез в процессе эволюции».
Мы уже давно знаем, что сон необходим для формирования и сохранения воспоминаний и что он играет главную роль в создании новых нейронных связей и отмирании старых. Но этого едва ли достаточно, чтобы смертельно рисковать и стать жертвой ночной охоты леопарда. «Если сон был бы нужен только для того, чтобы помнить, что вы делали вчера, то это недостаточно важная причина для его существования», – объясняет доктор Недергаард.
В ходе исследований, опубликованных в журнале Science, лаборатория доктора Недергаард может, наконец, пролить свет на то, почему он так важен.
Оказывается, сон может играть решающую роль в поддержании психического здоровья мозга. В то время, как ваше тело спит, мозг довольно активно работает в качестве ментального уборщика: он уничтожает весь мусор, накопившийся за день в ходе мышления.
Вспомните, что происходит с вашим телом во время тренировки. Вначале вы полны энергии, но вскоре дыхание начинает сбиваться, мышцы устают, а запас жизненных сил потихоньку истощается. Проблема заключается в том, что тело не может быстро доставлять кислород каждой нуждающейся в нем мышце и вместо этого создает необходимую энергию анаэробно. И хотя этот процесс позволяет вам продолжать двигаться, побочным эффектом является накопление токсинов в мышечных клетках. Они выводятся лимфатической системой организма, что и позволяет организму нормально функционировать без какого-либо ущерба.
Лимфатическая система – это страж человеческого тела: всякий раз, когда в нем образуется токсины, она их выводит. Однако мозг находится вне ее досягаемости – несмотря на то, что он потребляет около 20 процентов энергии тела. Как же его очистить от побочных продуктов, таких как белок бета-амилоид, связанный с болезнью Альцгеймера? Что происходит со всеми этими продуктами, накопившимися в ходе умственной деятельности?
«Представьте себе аквариум, – говорит доктор Недергаард. – Если в нем нет фильтра, рыба в конечном итоге погибнет. Итак, как клетки мозга избавляются от токсинов? Где их фильтр?
До недавнего времени ученые придерживались теории переработки: мозг избавляется от токсинов, не только бета-амилоидов, но других побочных продуктов, расщепляя и перерабатывая их на клеточном уровне. Когда в этом процессе случается сбой, это приводит к когнитивным расстройствам, связанным с возрастом, и к болезням, таким как болезнь Альцгеймера. Доктор Недергаард считает «что это не имеет смысла», поскольку «мозг слишком занят, чтобы перерабатывать» токсины своими силами. Вместо этого она предложила мозговой эквивалент лимфатической системы, сеть каналов, очищающих токсины при помощи спинномозговой жидкости. Она назвала его глимфматической системой, по аналогии с глиальными клетками (клетки мозга, поддерживающие гомеостаз и обеспечивающие защиту нейронов) и его функционированием в качестве параллельной лимфатической системы.
Она не была первым ученым, кто подумал об этом. «Эта идея была выдвинута около ста лет назад, но в то время не было инструментов, подходящих для исследования», – добавляет доктор Недергаард. Однако теперь с помощью современных микроскопов и методов окрашивания, ее команда обнаружила, что интерстициальное пространство мозга – заполненная жидкостью область между тканевыми клетками, занимающая около 20 процентов общего объема мозга, – в основном занимается ежедневным выведением побочных продуктов жизнедеятельности клеток.
Члены команды доктора Недергаарда вводили небольшое количество флуоресцентного индикатора в спинномозговую жидкость мышей находящихся под наркозом. В результате эксперимента они обнаружили, что это вещество быстро вошло в мозг – и, в конечном итоге, вышло из него – по определенному ожидаемому маршруту.
Следующей задачей было увидеть, как и когда именно, глимфатическая система выполняет свою работу. «Мы думали, что процесс очистки потребует огромной энергии», – говорит доктор Недергаард. «И поэтому мы предположили: может быть, это то, что происходит во сне, когда мозг не обрабатывает информацию».
В ходе новых экспериментов на мышах ее команда обнаружила следующее. Когда мышь спит или находится под наркозом, ее мозг занят очисткой токсинов, которые накапливаются во время бодрствования.
В мозге мыши интерстициальное пространство занимает меньше места, чем у людей, примерно 14 процентов от общего объема. Доктор Недергаард обнаружила, что, когда мыши спали, оно увеличилось более чем на 20 процентов. В результате спинномозговая жидкость могла не только течь более свободно, но и проникать в мозг. В бодрствующем мозгу она течет только по поверхности мозга. Действительно, поток во время бодрствования составляет лишь 5% от потока во сне. Во сне токсины удаляются в два раза быстрее. «Мы не заметили почти никакого притока спинномозговой жидкости в мозг, когда мыши были активны, но после того, как мы дали им наркоз, она начала течь. И эта разница была так велика, что я испугалась, что что-то пошло не так », – говорит доктор Недергаард.
Подобное исследование мозга человека пока еще в будущем. Сейчас д-р Недергаард ждет подтверждения, чтобы начать аналогичное исследование мозга человека в сотрудничестве с анестезиологом Хелен Бенвенисте из Университета Стоуни Брук.
До сих пор глифматическая система рассматривалась как система нейронного контроля у бабуинов, собак и коз. «Во всяком случае, – говорит доктор Недергаард, – более крупный мозг больше в этом нуждается».
Современное общество плохо приспособлено к тому, чтобы обеспечивать наш мозг достаточным временем для очищения.
Только цифры.
Около 80% работающих взрослых в разной степени страдают от нехватки сна. По данным Национального фонда сна, взрослые должны спать от семи до девяти часов. В среднем, мы спим на 1-2 часа меньше ночью, чем мы спали 50-100 лет назад, и на 38 минут меньше, чем всего лишь 10 лет назад.
От 50 до 70 миллионов человек в Соединенных Штатах страдают от какой-либо формы хронического расстройства сна. Когда наш сон нарушен, независимо от причины, наша система очистки дает сбой.
В Центре сна и циркадианной нейробиологии Университета Пенсильвании Сигрид Вейси сконцентрировалась на изучении того, как бессонные ночи нарушают нормальный метаболизм в мозге. Что происходит с нашей когнитивной функцией, когда накапливаются токсины?
В самом худшем случае это может привести к ускоренному развитию нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера и Паркинсона. Хотя мы не знаем, вызывает ли недостаток сна болезнь, или сама болезнь приводит к потере сна – то, что доктор Вейси называет «классической дилеммой курицы и яйца», – мы знаем, что они тесно связаны. Наряду с нарушениями сна, нейродегенеративные заболевания характеризуются увеличением числа белков того типа, от которых глимфатическая система обычно избавляется во время сна, таких как бета-амилоиды и тау, связанных с болезнью Альцгеймера и другими видами заболеваний.
«Для меня, – говорит доктор Вейси, – это самая ценная часть исследования доктора Недергаард. То, что выведение токсинов резко сократилось от продолжительного бодрствования. «Если мы не спим хорошо, мы позволяем веществам, вызывающим нейронную деградацию, беспрепятственно накапливаться.
Даже в относительно более благоприятном случае (одна бессонная ночь или просто очень напряженная неделя, когда вы спали всего пару часов за ночь) нехватка сна, и все, кто испытывал ее, знают, не дает нам сосредоточиться, сконцентрировать внимание на окружающей обстановке и проанализировать информацию творчески.
«Когда мы мало спим, мы не можем собрать факты воедино», – говорит доктор Вейси.
Но есть разница между разовым невысыпанием, которое мы иногда испытываем, и хроническим недосыпом, который возникает из-за сменного графика работы, бессонницы и т.д. В ходе исследований, опубликованных в журнале «Нейробиология», лаборатория Вейси обнаружила, что, хотя наш мозг может быстро восстанавливаться после кратковременной нехватки сна, хроническое продолжительное бодрствование и нарушение сна отрицательно влияют на метаболизм мозга. В результате разрушаются ключевые нейроны, участвующие в работе коры головного мозга, и накапливаются белки, вызывающие старение и деградацию нервной системы.
Это похоже на разницу между метелью, нарушающей на один день график уборки мусора, и длинной забастовкой. Последствия последней не так легко исправить, и даже когда она закончится, нужно будет разобраться с большим количеством мусора. «Восстановление от нехватки сна происходит медленнее, чем мы думали, – отмечает д-р Вейси. – Раньше мы думали, что после возвращения к нормальному режиму сна, человек быстро приходит в норму. Но исследование показывает, что это не так».
Если объединить результаты этого исследования вместе с выводами лаборатории доктора Недергаарда, «очень четко видно, что бодрствующий в течение длительного времени мозг не может избавляться от токсинов. Мы действительно начинаем понимать, что когда мы недосыпаем, мы наносим непоправимый урон мозгу, что приводит к преждевременному старению или развитию заболеваний».
Для общества, которое не только хронически недосыпает, но и быстро стареет, это плохая новость. «Маловероятно, что нехватка сна в детстве на самом деле вызовет болезнь Альцгеймера или Паркинсона, – говорит д-р Вейси, – но более вероятно, что это может привести к более раннему развитию этих болезней. Это имеет серьезные последствия для здоровья и экономики в целом».
Это порочный круг. Мы работаем дольше, становимся более напряженными, меньше спим, снижаем способность нашего мозга выводить токсины после этой тяжелой работы и перестаем спать спокойно. А если мы будем принимать снотворное? Пока исследование о влиянии снотворного на глимфатическую систему еще ведется, ученые подтверждают, что нет никаких доказательств того, что сон со снотворным также эффективен как естественный сон.
Однако надежда есть. Если основной функцией сна является выведение токсинов из мозга, то этот факт может в конечном итоге помочь понять природу, как нейродегенеративных заболеваний, так и обычного возрастного спада умственной активности. Разработка диагностического теста для измерения того, насколько хорошо функционирует глимфатическая система, может на шаг приблизить нас к прогнозированию риска развития таких состояний, как болезнь Альцгеймера или других форм слабоумия: чем быстрее жидкость поступает в мозг, тем эффективнее работает мозговой метаболизм.
«Такой тест можно было бы также использовать в отделении неотложной помощи для пациентов с черепно-мозговыми травмами, – говорит доктор Недергаард, – чтобы узнать, у кого есть риск снижения когнитивной функции».
«Мы также можем сосредоточиться на раннем выявлении нарушений процесса вывода токсинов и эффективном вмешательстве для предотвращения снижения умственных способностей. Один из подходов заключался бы в том, чтобы позволить людям, страдающим от потери сна, спать более крепко, но как? Мышам доктора Недергаарда удалось выводить токсины почти так же эффективно под анестезией, как при нормальных условиях сна. «Это действительно поражает, – говорит доктор Вейси. Хотя нынешние снотворные могут быть неэффективны, а анестетики слишком опасны для ежедневного использования, результаты показывают, что могут быть изобретены фармокологические методы улучшения сна.
Теперь, когда у нас есть глубокое понимание того, почему сон так важен, новое поколение производителей лекарств может работать над созданием наилучших условий для вывода токсинов, чтобы быть уверенным в том, что метаболизм мозга спящего человека настолько эффективен, насколько это возможно.
Альтернативным вариантом может быть противоположный подход, создающий условия для вывода токсинов из мозга во время бодрствования, что может снять необходимость в продолжительном и крепком сне. Сегодня метаболизм мозга не является объектом исследования фармацевтической промышленности. Потому что его важность не была доказана. Однако в новых условиях будущие медикаментозные вмешательства могут сосредоточиться непосредственно на глимфатической системе, чтобы повысить очищающую способность бодрствующего мозга. В один прекрасный день ученые смогут успешно имитировать расширение межтканевого пространства, которое выполняет ментальную «уборку», чтобы мы могли достичь максимально эффективного круглосуточного вывода токсинов.
Если этот день наступит, то может быть изобретен и чудодейственный препарат, который, как шутит доктор Вейси «полностью отменит необходимость во сне».
Источник: nytimes.com
Перевод: Алина Фалинская, тренинговый портал Аспект