Наука про сон: що робить ваш мозок усю ніч

Більшість людей проводить уві сні приблизно третину життя. Довгий час це вважали змарнованим часом, своєрідним вимкненням. Сьогодні науковці знають, що сон — один із найактивніших і найретельніше організованих процесів в організмі. Це стан зниженої психічної та фізичної активності, за якого свідомість змінюється, а деякі органи чуття частково вимикаються. М'язи розслабляються, ми перестаємо взаємодіяти з навколишнім світом, і все ж мозок продовжує працювати за складними ритмічними схемами.

Що ж таке сон?

Сон — це не те саме, що непритомність. Сплячу людину все ще може розбудити гучний звук, яскраве світло або хтось, хто кличе її на ім'я, а мозок тихо перевіряє звуки, що надходять, чи немає серед них чогось важливого. Мати може спати під шум транспорту, але миттєво прокинутися, коли заплаче її немовля. Саме ця здатність швидко повертатися до повної свідомості відрізняє сон від коми чи загальної анестезії, коли мозок не реагує на зовнішній світ звичайним чином.

Науковці зазвичай описують сон через кілька ключових ознак:

• Менше рухів: тіло завмирає, а м'язи розслабляються.
• Типова поза й місце: люди лягають, птахи можуть сидіти на гілці, кажани висять догори ногами.
• Слабша реакція на подразники: щоб привернути нашу увагу, потрібен сильніший сигнал.
• Легка оборотність: на відміну від коми, сон швидко закінчується, коли нас будять.
• Регуляція: якщо ми недосипаємо, організм намагається надолужити це пізніше.

Як відкрили стадії сну

Більшу частину історії сон залишався загадкою, бо ніхто не міг побачити, що відбувається в голові сплячої людини. Усе змінила електроенцефалографія, або ЕЕГ, — метод, що записує електричну активність мозку за допомогою невеликих датчиків, розміщених на шкірі голови. Німецький психіатр Ганс Бергер записав першу ЕЕГ людини в 1920-х роках, і дослідники невдовзі помітили, що мозкові хвилі під час сну дуже відрізняються від хвиль під час неспання.

Найбільший прорив стався 1953 року в Чиказькому університеті. Аспірант Юджин Азерінський та його науковий керівник Натаніел Клейтман помітили, що в певні моменти ночі очі сплячих швидко рухаються туди-сюди під заплющеними повіками. Коли людей будили в ці періоди, вони зазвичай розповідали про яскраві сновидіння. Цю стадію назвали REM-сном, від англійського «rapid eye movement» — швидкі рухи очей. Усе інше стало відоме як не-REM-сон.

Сьогодні сон вивчають у лабораторіях за допомогою обстеження, яке називається полісомнографія. Воно одночасно записує мозкові хвилі, рухи очей, м'язову активність, частоту серцевих скорочень і дихання, створюючи докладну карту цілої ночі.

Цикл сну: ніч, поділена на стадії

Сон не є однорідним станом. Протягом ночі мозок проходить цикл стадій, що триває близько 90 хвилин і повторюється приблизно чотири-шість разів.

Стадія 1 не-REM-сну (N1)

Це легка, дрімотна стадія на межі сну, що триває лише кілька хвилин. Дихання сповільнюється, м'язи починають розслаблятися, і людину легко розбудити. Багато хто в цей момент відчуває раптове смикання, яке називають гіпнічним посмикуванням, іноді разом із відчуттям падіння.

Стадія 2 не-REM-сну (N2)

Серцебиття сповільнюється, а температура тіла трохи знижується. На ЕЕГ видно короткі спалахи швидкої активності, які називають сонними веретенами, і великі поодинокі хвилі — K-комплекси. Науковці вважають, що веретена допомагають захищати сон від шуму та відіграють роль у навчанні. Дорослі проводять у цій стадії близько половини ночі.

Стадія 3 не-REM-сну (N3)

Цю стадію також називають глибоким сном або повільнохвильовим сном; у ній переважають великі повільні мозкові хвилі. Із неї найважче прокинутися, і людина, яку розбудили в цей час, часто якийсь час почувається млявою й розгубленою. Більша частина глибокого сну припадає на першу половину ночі. Снохідство й нічні жахи, частіші в дітей, зазвичай починаються саме в цій стадії.

REM-сон

Під час REM-сну мозок стає майже таким самим активним, як під час неспання. Очі швидко рухаються, дихання й серцебиття стають нерегулярними, і з'являється більшість яскравих сновидінь, схожих на історії. Водночас майже всі м'язи тіла тимчасово паралізовані, крім тих, що керують очима й диханням. Вважають, що цей параліч не дає нам утілювати свої сни в рухах. Періоди REM-сну подовжуються впродовж ночі, тому вранці люди часто прокидаються посеред сновидіння.

Дві сили, що керують сном

Чому ввечері нас хилить на сон, а вранці ми прокидаємося? Дослідники сну часто пояснюють це за допомогою двопроцесної моделі, яку на початку 1980-х років запропонував швейцарський науковець Александер Борбелі. Вона описує дві системи, що працюють разом.

Тиск сну

Що довше ми не спимо, то сильнішою стає потреба заснути. Одна з речовин, пов'язаних із цим тиском, — аденозин, який накопичується в мозку під час неспання й виводиться під час сну. Кофеїн, що міститься в каві, чаї та багатьох газованих напоях, робить нас бадьорішими здебільшого тому, що блокує аденозинові рецептори мозку. Він на якийсь час приховує втому, але не усуває потреби у сні.

Біологічний годинник

Друга система — це циркадний ритм, внутрішній годинник, що працює за циклом приблизно у 24 години. Слово походить від латинського circa diem, що означає «близько доби». Головний годинник — це крихітне скупчення нервових клітин у гіпоталамусі, яке називають супрахіазматичним ядром; воно отримує сигнали про світло безпосередньо від очей. Коли темніє, шишкоподібна залоза виділяє гормон мелатонін, який повідомляє організму, що настала ніч. Ранкове світло пригнічує мелатонін і допомагає щодня переводити годинник.

Значення цього годинника було відзначено Нобелівською премією з фізіології або медицини 2017 року, яку отримали Джеффрі Голл, Майкл Росбаш і Майкл Янг. Працюючи з плодовими мушками, вони відкрили гени й білки, завдяки яким клітини відмірюють час. Майже кожна клітина людського тіла має власний маленький годинник, і всі вони узгоджуються головним годинником у мозку.

Джетлаг показує, що відбувається, коли ці дві системи розходяться. Після тривалого перельоту через кілька часових поясів біологічний годинник ще живе за старим розкладом, тож мандрівникам хочеться спати опівдні, а вночі вони зовсім бадьорі, доки годинник поступово не пристосується до місцевого денного світла.

Навіщо нам сон

Науковці досі вивчають усі функції сну, але кілька з них добре підтверджені дослідженнями.

• Пам'ять і навчання: під час сну мозок повторно відтворює й закріплює те, що вивчив за день. Гіпокамп, ділянка, важлива для формування нових спогадів, імовірно, передає інформацію до кори для довготривалого зберігання. Учні, які сплять після навчання, зазвичай запам'ятовують більше, ніж ті, хто не лягає спати.
• Очищення мозку: дослідження 2013 року на мишах показало, що під час сну проміжки між клітинами мозку розширюються, і рідина ефективніше вимиває продукти обміну. Цю систему очищення називають глімфатичною системою.
• Ріст і відновлення: значна частина гормону росту виділяється під час глибокого сну, що особливо важливо для дітей і підлітків. Тканини й м'язи також відновлюються.
• Імунний захист: люди, які сплять замало, зазвичай легше підхоплюють інфекції, а вакцини можуть діяти слабше в тих, кому бракує сну.
• Емоційна рівновага: REM-сон, схоже, допомагає мозку опрацьовувати емоційні переживання. Після поганої ночі люди зазвичай дратівливіші й гірше дають раду стресу.

Скільки сну нам потрібно?

Кількість сну, потрібна людині, дуже змінюється з віком. Організації сомнологів дають такі загальні рекомендації:

• Новонароджені сплять більшу частину доби, приблизно 14–17 годин, багатьма короткими періодами.
• Дітям від 6 до 12 років потрібно приблизно 9–12 годин на ніч.
• Підліткам від 13 до 18 років потрібно приблизно 8–10 годин.
• Дорослим потрібно щонайменше 7 годин на ніч.

Підлітки стикаються з особливою проблемою. У період статевого дозрівання біологічний годинник зсувається на пізніший час, тож мелатонін виділяється пізніше ввечері. Багато підлітків справді не можуть рано заснути, а уроки часто починаються рано вранці. Тому чимало науковців, що вивчають сон, підтримують пізніший початок занять для старшокласників.

Крім того, немовлята проводять у REM-сні значно більшу частку сну, ніж дорослі: приблизно половина сну новонародженого — це REM-сон, тоді як у дорослих — приблизно від п'ятої до четвертої частини. Дослідники вважають, що це може сприяти швидкому розвитку молодого мозку.

Що стається, коли бракує сну

Навіть одна коротка ніч має наслідки. Погіршуються увага, швидкість реакції та здатність ухвалювати рішення, а ще можуть траплятися мікросни — короткі провали на кілька секунд, коли мозок засинає, а людина цього не помічає. Мікросни особливо небезпечні для водіїв. Деякі дослідження виявили, що кермування після тривалого періоду без сну може погіршувати результати приблизно так само, як кермування після вживання алкоголю.

У довгостроковій перспективі постійний недосип пов'язаний із вищим ризиком ожиріння, діабету 2 типу, хвороб серця та депресії. Брак сну також впливає на гормони апетиту, і це одна з причин, чому втомлених людей часто тягне на солодку або жирну їжу.

Відомий випадок — історія Ренді Гарднера, 17-річного старшокласника із Сан-Дієго, який наприкінці 1963 — на початку 1964 року не спав близько 11 днів у межах проєкту для наукового конкурсу. З кожним днем йому дедалі важче було зосереджуватися, запам'ятовувати й чітко говорити. Після свого рекорду він проспав близько 14 годин і відновився. Згодом Книга рекордів Гіннеса перестала приймати спроби не спати якомога довше через ризики для здоров'я.

Поширені розлади сну

Медицина сну налічує десятки розладів сну. Ось деякі з найвідоміших:

• Безсоння: труднощі із засинанням або з тим, щоб не прокидатися, часто пов'язані зі стресом, тривогами чи нерегулярним режимом.
• Обструктивне апное сну: дихальні шляхи під час сну неодноразово звужуються або закриваються, і дихання переривається. Гучне хропіння й денна втома — типові ознаки.
• Нарколепсія: стан, за якого людина раптово засинає вдень. Зазвичай його спричиняє втрата клітин мозку, що виробляють речовину орексин, відому також як гіпокретин, яка допомагає нам не спати.
• Синдром неспокійних ніг: неприємне бажання рухати ногами, яке зазвичай посилюється ввечері.
• Снохідство й нічні жахи: епізоди, що виникають під час глибокого не-REM-сну. Вони поширені в дитинстві й зазвичай минають з віком.

Сон у тваринному світі

Сон або щось дуже схоже на нього спостерігали в ссавців, птахів, плазунів, риб і навіть комах, як-от плодові мушки. 2017 року дослідники описали схожий на сон стан у медузи Cassiopea, яка живе догори дриґом і взагалі не має мозку. Це свідчить про те, що сон з еволюційного погляду надзвичайно давній.

Тварини знайшли дивовижні способи спати:

• Дельфіни та інші китоподібні дають відпочити одній півкулі мозку за раз. Це називають однопівкульним сном, і він дає їм змогу продовжувати плисти й підніматися на поверхню, щоб дихати.
• Деякі птахи, наприклад качки, теж можуть спати однією півкулею мозку, тримаючи одне око розплющеним, щоб стежити за хижаками. Фрегатів зафіксовано під час короткого сну в польоті.
• Жирафи та слони в дикій природі сплять лише кілька годин на добу.
• Кажани й коали належать до найсонливіших ссавців і проводять більшу частину доби уві сні або на відпочинку.

Сон в історії та культурі

Люди завжди замислювалися над сном. У грецькій міфології Гіпнос був богом сну й братом-близнюком Танатоса, бога смерті. Часто казали, що одним із синів Гіпноса був Морфей, який творив сновидіння, і знеболювальний засіб морфін назвали на його честь через снодійну дію. Римляни називали бога сну Сомнусом, і від його імені походять такі слова, як інсомнія.

Звички сну теж змінювалися з часом. Історик Роджер Екірч знайшов у давніх європейських текстах багато згадок про перший сон і другий сон, розділені періодом неспання посеред ночі. Доки штучне освітлення не поширилося, люди часто лягали спати невдовзі після смеркання й могли вставати приблизно на годину, щоб помолитися, почитати, доглянути вогонь або поговорити, а потім знову засинали. Електричне освітлення, а згодом і екрани, відсунули час відходу до сну на пізніше й перетворили сон для більшості людей на один суцільний період.

Прості звички для кращого сну

Науковці, що вивчають сон, погоджуються щодо кількох практичних звичок, які допомагають більшості людей краще спати:

1. Дотримуйтеся сталого режиму: якщо лягати й вставати приблизно в той самий час щодня, зокрема й на вихідних, біологічний годинник працює рівно.
2. Бувайте на денному світлі вранці: яскраве світло на початку дня допомагає налаштувати циркадний ритм.
3. Обмежуйте екрани перед сном: яскраві екрани можуть затримувати виділення мелатоніну, а захопливий вміст тримає розум у напрузі.
4. Стежте за кофеїном: його дія може тривати кілька годин, тож напій, випитий по обіді, ще може заважати сну вночі.
5. Зробіть спальню темною, тихою та прохолодною: трохи прохолодніша кімната допомагає, бо температура тіла природно знижується, коли ми засинаємо.
6. Будьте активними вдень: регулярні фізичні вправи допомагають швидше засинати й глибше спати.

Сон — не пауза в житті, а його життєво важлива частина. Щоночі, поки ми лежимо нерухомо, мозок упорядковує спогади, тіло відновлюється, а внутрішній годинник готує нас до нового дня.