Сон. Почему мы спим и как нам это лучше всего удается - Петер Шпорк

Ее воодушевление легко понять. Неужели сон действительно столь же древен, как само появление многоклеточных существ? Неужели он так важен для биологических систем, что даже червь не может без него выжить? Несколькими дверями дальше по коридору, в лаборатории Тоблер, извивается живое доказательство.

Здесь в типичной стеклянной чашке Петри живут на микробной среде, служащей им пищей, несколько крошечных червей-нитянок, или филярий. Автоматическая камера видеонаблюдения записывает, движутся ли они, когда и как долго. Оказывается, черви регулярно впадают в состояние неподвижности. Продолжается оно не более 10–20 с, и все же это что-то напоминает сон. Биолог Тоблер убеждена в этом — и может доказать.

В целом нормальные черви проводят в сутки 3–5 ч в состоянии покоя. Если на протяжении 12 ч поддерживать их в непрерывном движении, постоянно встряхивая чашку, «то в ближайшие часы продолжительность периодов покоя заметно увеличивается», говорит швейцарская исследовательница. Причем увеличение тем более выражено, чем дольше филяриям не давали спать. Очевидно, у червей тоже есть процесс S.

Специалисты давно согласны, что основным критерием, позволяющим определить сон у животных, является необходимость его наверстать, если перед этим их покой систематически нарушали. Поэтому у животных, которые не могут рассказать, спали они или нет, именно это биологи и выбрали разграничительной линией между регулярным сном и нерегулярными «остановками» или «отдыхом»: если лишить живые существа сна, они потом спят дольше, если прерывать просто «отдых», это практически не сказывается на их дальнейшем поведении.

В 1983 г. Ирен Тоблер произвела настоящую сенсацию, доказав, что даже у тараканов наблюдается дефицит сна. Насекомым требуется более продолжительный отдых, если до этого их слишком долго принуждали к непрерывной активности. Это было первым доказательством того, что даже у беспозвоночных животных существуют подобные сну состояния. Затем последовали наблюдения над скорпионами, а Вальтер Кайзер из Дюссельдорфа провел аналогичный эксперимент с пчелами. Результаты подтвердили опыт с тараканами.

Но мало того: Тоблер и ее сотрудники присмотрелись к тараканам внимательнее и обнаружили, что они в периоды покоя принимают различные позы. Ученые задались вопросом, не являются ли эти их положения внешним признаком различной глубины сна. Оказалось, что животных, застывших в одной из таких поз, действительно очень трудно чем-нибудь отвлечь. «Порог пробуждения у тараканов в этой позе был значительно выше, чем в любой другой», — рассказывает Тоблер.

Значит, поведение крупных насекомых с длинными усами соответствует второму и третьему важным критериям сна у животных: занятие типичной, долгое время не меняющейся спокойной позы и существование более или менее высокого порога пробуждения. Из него можно заключить, что животное обладает центром оповещения, который — как и наш таламус — охраняет сон от несущественных помех и пропускает лишь важные сигналы. Из более простой в биологическом смысле, практически нерегулируемой фазы покоя животные, напротив, выходят при малейшем отвлекающем сигнале.

Сейчас Тоблер близка к тому, чтобы повторить сенсацию, на этот раз с червями-филяриями. Эти простые существа, стоящие в биологической иерархии значительно ниже, чем насекомые, отвечают по крайней мере первому определению сна. Следовательно, в их очень простой нервной и гормональной системе должен существовать регуляторный механизм, управляющий потребностью в коротких паузах и в случае необходимости заботящийся о восполнении дефицита. Кроме того, эти паузы должны приносить биологической системе «червь» какие-то нам еще неизвестные важные для выживания преимущества, иначе сноподобное состояние не могло бы выработаться и сохраниться в процессе эволюции.

Ирен Тоблер глубоко убеждена, что в конечном счете сон червя-филярии и человека определяется одними и теми же причинами. Вероятно, уже наш последний общий предок примерно 700 миллионов лет назад спал по сходным правилам, а не просто останавливался периодически отдохнуть.

Мухи на «винте»

В лаборатории сна есть еще один крайне популярный вид подопытных животных: плодовая мушка Drosophila melanogaster. С этими крошечными черно-коричневыми насекомыми встречались все: это они вьются летом над прилавками с фруктами и во множестве роятся над забытым подгнившим бананом. К тому же почти все о них слышали, поскольку биологи уже много десятилетий используют этот живучий, легкий в разведении и очень удобный для опытов вид в своих молекулярно-генетических исследованиях.

В 2000 г. сразу два исследовательских коллектива обнаружили, что мухи также соответствуют в своем поведении всем важным внешним критериям сна: они проводят значительное время — 5 минут и более — в спокойной позе, причем их тогда значительно труднее спугнуть, чем обычно, и эти периоды у них также удлиняются, если перед покоем долгое время не давать им отдыха. Затем были проведены еще более детальные и тщательные эксперименты, после которых даже у профессионального скептика Тоблер не осталось сомнений: «Сейчас однозначно доказано, что даже плодовые мушки спят».

Но мало того: у мушек во сне также меняется электрическая активность мозга. Это было доказано опытами, проводившимися в 2002 г. в американском Институте неврологии в Сан-Диего. Там, в лаборатории Ральфа Гринспена, висят под потолком дрозофилы. Спинами они приклеены к небольшой металлической пластинке. Сзади между их ножек проходит лазерный луч, попадая на световой датчик, стоящий впереди. Датчик мгновенно реагирует на подергивание животного, так что Гринспен всегда знает, шевелится или покоится сейчас его муха. Но самое главное во всей системе — два крошечных электрода, направленные сверху на два строго определенных места в микроскопическом мушином мозгу и позволяющие снять ЭЭГ дрозофилы.

Благодаря этому устройству Гринспен и его ассистент Дуглас Нитц смогли впервые систематически исследовать деятельность нервных клеток у спящей плодовой мушки. Итог эксперимента: сноподобное состояние у дрозофилы действительно сопровождается изменениями мозговой активности. С точки зрения физиологии, процессы в мозге спящей мухи и спящего человека очень сходны. Хотя на мушиной ЭЭГ нет ни сонных веретен, ни регулярных дельта-волн, ее график напоминает те сигналы, которые посылает во время глубокого сна наш мозговой ствол. В целом нервные клетки мухи во сне менее возбудимы, чем в состоянии бодрствования, и почти не проводят электрических сигналов.

Другая лаборатория в США специализируется на опытах, в которых проверяется даже скорость реакций у мухи и ее способность сосредоточиться. Это группа Кьяры Чирелли, Джулио Тонони и Рето Хьюбера в Висконсинском университете в Мэдисоне. Множество сложных аппаратов позволяет определить степень бодрости или усталости у мухи. Инфракрасный датчик показывает, спят насекомые или нет. Когда исследователи хотят помешать своим подопытным спать, стеклянные трубки, в которых живут мушки, помещают в непрерывно вращающийся контейнер.