Ученые представили первые прямые доказательства, объясняющие, почему мы спим
Это вопрос веками мучил ученых и исследователей: почему мы спим? Почему же это фундаментальная потребность? Однако несмотря на бесконечные исследования, если вы введете запрос в браузере «почему мы спим», вы получите разные и противоречивые ответы.
Некоторые говорят, что сон выводит токсины из мозга, другие — он помогает организму восстанавливаться и заряжаться энергией. Еще одни считают, что он имеет решающее значение для формирования долговременных воспоминаний.
Теперь исследование, проведенное учеными из Вашингтонского университета в Сент-Луисе, предоставило первые прямые доказательства, которые могут ответить на этот вопрос.
Мозг, как компьютер
«Мозг подобен биологическому компьютеру», — сказал Кит Хенген, автор исследования. «Память и опыт во время бодрствования изменяют код шаг за шагом, медленно уводя систему от идеального состояния. Главная цель сна — восстановить оптимальное вычислительное состояние».
Сравнивать мозг с компьютером не так уж и сложно. Оба используют электрические сигналы для передачи информации, долговременная память подобна жесткому диску для хранения и извлечения информации, а наши нейроны сродни электронным схемам. Использование компьютера означает запуск множества процессов, монополизирующих ресурсы в фоновом режиме, что может привести к его замедлению с течением времени. Применяя «гипотезу критичности», исследователи предположили, что мозг действует аналогичным образом.
В области физики эта гипотеза описывает сложную систему, которая существует на переломном этапе между порядком и хаосом. Физики впервые разработали концепцию критичности в конце 1980-х годов, используя простой набор правил для размещения тысяч песчинок на сетке, похожей на шахматную доску. Горы песка в конечном итоге достигают точки, когда без предупреждения начинаются большие и малые лавины, причем горы в одном квадрате каскадом переходят в другие. «Вся система самоорганизуется во что-то чрезвычайно сложное», — сказал Ральф Вессел, один из соавторов исследования.
Применяя гипотезу критичности к мозгу, исследователи сравнивают каждый нейрон с отдельными песчинками, следуя очень простым правилам. Нейронные лавины похожи на песчаные лавины, созданные физиками, причем каскады являются отличительной чертой системы, достигшей своего наиболее сложного состояния. Если нейроны достигают оптимального соотношения между слишком большим количеством порядка и слишком большим количеством хаоса, они достигают критичности, и именно в этот момент обработка информации мозгом максимизируется.
В рамках работы ученые попытались понять функцию сна в рамках критичности. Они измеряли электрофизиологические реакции отдельных нейронов в зрительной коре молодых крыс, когда они свободно выполняли свои обычные циклы сна/бодрствования.
«Вы можете отслеживать эти небольшие каскады активности с помощью нейронной сети», — сказал Хенген. «При критичности могут возникать лавины любых размеров и продолжительности. При удалении от критичности система становится склонной только к небольшим лавинам или только к большим лавинам».
Исследователи наблюдали лавины всех размеров у крыс, которые только что пробудились от восстановительного сна. В периоды бодрствования каскады смещались в сторону все меньших размеров. Исследователи обнаружили, что они могли предсказать, когда крысы собирались заснуть или проснуться, отслеживая распределение нейронных лавин. Сон был близок, когда размеры каскада уменьшались до определенной точки.
«Результаты показывают, что каждый момент бодрствования выводит соответствующие мозговые цепи из критического состояния, а сон помогает мозгу перезагрузиться», — сказал Хенген.
Исследователи говорят, что данные подтверждают модель, в которой сон функционирует для восстановления критичности, которая постепенно снижается во время бодрствования. Их наблюдения соответствовали их гипотезе о том, что поддержание критичности является основной, регенеративной функцией сна.