Ученые столетиями изучают, зачем нужен сон. Похоже, одна из его функций прозаичнее, чем многие думали

Примерно треть своей жизни человек проводит во сне. Изучению сна посвящено огромное количество научных исследований, но и сегодня у ученых нет однозначного ответа на вопрос о том, зачем все-таки организму тратить столько времени, казалось бы, впустую. Опубликованная в последнем номере Science статья ученых из Бостонского Университета и Медицинской школы Гарварда тоже, конечно, не дает всех ответов, но, по крайней мере, вносит в него некоторую ясность. Оказывается, что одна из важнейших задач глубокого сна, без которого не могут жить ни люди, ни высшие животные — это просто удаление из мозга накопившегося мусора.  

О функциях сна задумывались еще древнегреческие философы. Одним из самых влиятельных мыслителей в этой области был Аристотель, чьи взгляды были общепринятыми на протяжении почти всей истории — собственно, до появления нейробиологии как отдельной дисциплины. У него есть целый трактат (Περὶ ὕπνου καὶ ἐγρηγόρσεως) с рассуждениями о происхождении и пользе сна. По мнению Аристотеля, сон — неожиданно — нужен для отдыха. Если точнее, — для отдыха органов чувств, которые не могут бесконечно воспринимать стимулы среды. Кроме того, сон нужен для восстановления питательных веществ и роста.

У этой довольно очевидной теории сегодня есть свое экспериментальное обоснование. Во время глубокого сна потребность мозга в глюкозе действительно падает, в то время как ее концентрация в крови остается постоянной. Энергетическая гипотеза предполагает, что сон — это время, когда нейроны могут пополнить запасы гликогена, истощенные во время бодрствования. Исследования на грызунах и плодовых мушках действительно показывают, что количество гликогена быстро падает после пробуждения, что подтверждает физиологическую необходимость мозга в отдыхе. Однако эта гипотеза не объясняет многого другого: например, почему сон имеет такую значительную длительность, нельзя ли восполнить запасы энергии как-то иначе и вообще — не является ли накопление гликогена просто следствием, а не причиной временного отключения мозга от активной работы?

Исторически сну приписывали еще и лечебную функцию, и рекомендовали его в качестве средства от болезней. Нельзя уверенно сказать, что сон напрямую регулирует иммунитет, но ряд исследований показывает связь хорошего сна и устойчивости к инфекциям; есть даже данные, что люди, которые не высыпаются, чаще болеют простудой. Впрочем, альтернативным объяснением всех этих фактов может быть то, что во сне организм экономит калории, и у него остается больше сил на борьбу с болезнями.

Сегодня наиболее популярная концепция сна, которая получила развитие в последние 20-30 лет, предполагает, что в бессознательном состоянии мозг занят анализом и сортировкой впечатлений, накопленных за день. Другими словами — во время сна происходит консолидация памяти, закрепление воспоминаний и навыков в долговременной памяти. Именно в ходе этого процесса происходит установление новых контактов между нейронами. Однако долгое время казалось, что все это «завязано» прежде всего на фазу быстрого сна — а вот зачем мозгу нужен настолько длительный и, как бы «бессмысленный» глубокий сон, до сих пор было областью, где господствовала все та же энергетическая гипотеза и туманные предположения.

К появлению нового понимания смысла сна привело обнаружение «лимфатической системы мозга»

Важнейшее событие, изменившее современные представления о роли глубокого сна, произошло в 2012 году — в журнале Science Translational Medicine вышла статья, описывающая открытие в мозге некого подобия лимфатической системы. С помощью сложной оптической техники авторы статьи обнаружили в мозге тонкие каналы, пронизывающие нервную ткань и наполненные жидкостью. Открытие этого, по сути, нового органа, который условно назвали глимфатической системой, потребовало сочетания нескольких видов микроскопии высокого разрешения и иммунологических методов окраски тканей. Поэтому неудивительно, что анатомы, тщательно изучавшие мозг на протяжении столетий, об этой системе вообще ничего не знали.

Уже в следующем году в Science вышло продолжение истории — ученые из американского университета Рочестера показали, что глимфатическая система участвует в циркуляции спинномозговой жидкости, и что эта циркуляция происходит именно во сне. Для того, чтобы это доказать, исследователи научили мышей спать в камере микроскопа, позволяющего следить за перемещением красителя в тканях. Во сне животным вводили в спинномозговую жидкость зеленый краситель, а во время пробуждения — красный. Наблюдая за движением краски, исследователи выяснили, что основное перемещение жидкости в мозге происходит во время глубокой фазы сна.

Кроме красителя ученые вводили в мозг мышам бета-амилоид — белок, скопления которого образуют нерастворимые бляшки на нейронах при болезни Альцгеймера. Оказалось, что ночная «промывка» необходима, чтобы вывести амилоид из мозга, и избежать накопления токсичного белка. Так появилась гипотеза о том, что глубокий сон прежде всего нужен для очистки мозга от метаболического балласта.

Активность нейронов оказалась напрямую связана с прокачкой жидкости в мозге

Несмотря на весьма убедительные эксперименты с красителями, новая концепция поначалу была встречена весьма настороженно, ведь глимфатическая система мозга и ее связь с остальным организмом пока изучена довольно плохо. Нынешняя статья в Science существенно усилила позицию «очистительной гипотезы», связав ток спинномозговой жидкости с самой электрической активностью мозга во время сна.

Сделано это было так. При помощи снятия электроэнцефалограммы, наблюдения за током крови и магнито-резонансной томографии, ученые показали, что волнообразная активность нейронов во время глубокого сна синхронизирована с пульсацией крови в сосудах и спинномозговой жидкости. Кроме того, авторы статьи подробно описали направление тока жидкости в мозге и показали, что именно во время фазы глубокого сна происходит смешивание спинномозговой жидкости и тканевой жидкости, которое необходимо для отвода отходов от клеток мозга.

Что все эти новые данные значат для медицины? Согласно новой статье, ночная работа мозга заключается не только в сортировке воспоминаний, но и в удалении метаболического балласта, накопившегося за день. Отсюда следует, что нарушения сна могут привести к развитию заболеваний, прямо связанных с накоплением отходов.

Среди этих отходов, в частности, так называемые амилоидные белки, — те самые, которые образуют на нейронах нерастворимые «бляшки». Согласно современной концепции возникновения болезни Альцгеймера, к формированию амилоидов в мозге в том числе приводят стрессовые воздействия на организм. Если баланс между их образованием и удалением из спинномозговой жидкости нарушен, со временем количество бляшек в нейронах будет увеличиваться. То, что качественный ночной сон необходим для предотвращения развития деменции, подтверждает и недавняя работа в журнале PNAS: единственная бессонная ночь способна увеличить количество бета-амилоида в мозге у человека.