Нейробиологи подобрались к разгадке тайны сна
Подобно островам, торчащим из гладкой поверхности океана, сновидения пронзают наш сон бессвязными эпизодами сознания. Откуда появляются эти обрывки мыслей в спящем мозгу — этот вопрос давно беспокоит ученых и философов. Десятки лет ученые связывали сны с фазой быстрого движения глаз (БДГ), когда отдыхающий мозг парадоксальным образом производит высокочастотные мозговые волны, которые очень похожи на те, что рождаются во время бодрствования.
И все же сны мы видим не только во время БДГ. Несколько странных исследований обнаружили признаки сновидений во время не-БДГ-сна, когда в мозге царит медленноволновая активность — противоположная тревожному, активному, сознательному состоянию. И вот, благодаря исследованию, которое было опубликовано в Nature Neurosciece, мы, похоже, начали нащупывать ответ на каверзную дилемму.
Тщательно отслеживая мозговые волны спящих добровольцев, группа ученых из Университета штата Висконсин точно определили локальную «горячую точку» в мозге, которая активируется, когда мы спим, независимо от фазы сна, в которой находится человек.
«Вы действительно можете определить подпись спящего мозга», говорит автор исследования доктор Франческа Сиклари.
Более того, используя алгоритм, разработанный на основании ее наблюдений, группа ученых смогла точно предсказать, когда человек спит, с 90% точностью, и еще…
…и здесь самое интересное…
…приблизительно разобрать содержание снов.
«Мы выяснили, что спящий мозг и бодрствующий мозг могут быть намного более похожи, чем представлялось», говорит Сиклари.
Это исследование не только открывает дверь для моделирования снов для терапии ПТСР, но и может помочь ученым нащупать ниточку к тайне сознания.
«Важность этой статьи просто поразительна», говорит доктор Марк Благров из Университета Суонси в Уэльсе, не принимавший участия в исследовании.
Анатомия сна
В ходе полноценного ночного цикла сна мы проходим через разные стадии, характеризующиеся отличительными картинами работы мозга. Ученые часто используются ЭЭГ, чтобы точно захватывать каждую стадию сна, что включает размещение 256 электродов на черепе человека и последующее отслеживание числа и размеров мозговых волн на разных частотах.
Когда мы начинаем дремать, наши мозги демонстрируют низкочастотную активность, которая проходит по всей поверхности. Эти волны сигнализируют, что нейроны находятся в «спокойном состоянии» и не способны коммуницировать между областями мозга — поэтому низкочастотную активность часто связывают с потерей сознания.
Эти медленные колебания не-БДГ-сна в конечном итоге переходят в высокочастотную активность, сигнализирующую о переходе в фазу быстрого движения глаз. Эта фаза сна часто ассоциируется с яркими сновидениями — и эта связь так глубоко укоренилась в исследовании сна, что случаи фазы БДГ без сновидений или сны в фазе не-БДГ зачастую игнорировались как странности.
Оказывается, эти странные случаи намекали нам, что наше нынешнее понимание нейробиологии сна — не полное.
Ловцы сновидений
Чтобы пересмотреть эти парадоксальные результаты, Сиклари и ее команда отслеживали активность мозга 32 добровольцев при помощи ЭЭГ и будили их в течение ночи с произвольными интервалами. Затем ученые спрашивали сонных участников, снилось ли им что-то, и если да, что именно снилось. В общей сложности это происходило 200 раз за ночь.
Но вместо того, чтобы увидеть глобальное смещение активности, связанное со сном, ученые с удивлением обнаружили область мозга в задней части головы, которая динамически смещала свою активность на основе возникающих сновидений.
Сны были связаны с уменьшением низкочастотных волн в «горячей зоне» и с увеличением высокочастотных волн, отражающих высокие темпы нейронных активаций и активности мозга. Это было своего рода пробуждением, независимым от стадии сна или общей активности мозга.
«Все указывает на то, что необходима очень ограниченная, четко очерченная активация мозга для генерации сознательного опыта», говорит Сиклари. «До сих пор мы думали, что для генерации сознательного опыта должны активироваться большие области мозга».
То, что горячая зона подключается к действию во время сна, имеет определенный смысл. Предыдущие работы показали, что стимулирование этих областей мозга при помощи электрода может вызвать чувство пребывания «в параллельном мире». Эта горячая зона также содержит участки, которые интегрируют сенсорную информацию для построения виртуальной модели мира вокруг нас. Такого рода моделирование закладывает фундамент для множества наших воображаемых миров, и эта горячая зона отлично приспособлена для этого дела», говорят авторы.
Если активная горячая зона на самом деле представляет собой «сигнатуру сна», ее активность должна быть в состоянии сказать, спит ли человек в конкретно заданный момент. Авторы создали алгоритм на основании своих результатов и проверили его точность на отдельной группе людей.
«Мы будили их всякий раз, когда алгоритм говорил нам, что они спят, всего 84 раза», пишут исследователи.
В общей сложности этот алгоритм показал 90-процентную точность анализа присутствия сна — даже в тех случаях, когда участники эксперимента не помнили содержимое своих снов, но были уверены, что спали.
Читающие сны
Поскольку горячая зона содержит участки, которые обрабатывают визуальную информацию, ученые задумались, можно ли получить доступ к содержимому снов испытуемых при помощи ЭЭГ-считываний.
Сны могут быть исключительно осязаемыми, с разворачивающимися событиями, либо полностью абстрактными, как свободная фантазия, говорят ученые. Лица, места, движения и речь — все это привычные компоненты снов, которые обрабатываются легко выявляемыми регионами горячей зоны, поэтому исследователи решили сосредоточиться на этих аспектах.
Что примечательно, добровольцы, которые рассказывали, что говорили в своих снах, демонстрировали активность в областях мозга, отвечающих за речь; а те, кому снились люди, демонстрировали активность в центрах распознавания лиц.
«Это говорит о том, что сны используют все те же области мозга, что и сознательный опыт во время бодрствования, для определенного содержимого», говорит Сиклари, отмечая, что ранее исследования могли показать это только на примере «зоны сумерек», переходной между сном и бодрствованием.
Наконец, ученые заинтересовались, что происходит, когда мы спим, но не помним конкретных деталей. Оказалось, что у этого странного состояния есть отдельная ЭЭГ-подпись: запоминание деталей сна было связано со всплеском высокочастотной активности в передних областях мозга.
Рождаются интересные вопросы, например, отвечают ли фронтальные доли мозга за осознанные сновидения, особое состояние, когда люди понимают, что спят и могут менять содержимое сна.
Пробуждение жизни
Ученые пока не могут объяснить, что активирует горячую зону во время сна, но ответы могут подсказать нам, есть ли у сна биологическое назначение, например, переработка воспоминаний в крупные понятия о мире.
Картирование активности спящего мозга может также привести к появлению способов напрямую манипулировать нашими снами, используя неинвазивные процедуры, например, транскраниальную стимуляцию током. Введение в состояние сна может помочь людям с бессонницей, а разрушение тревожного сна может помочь пациентам с ПТСР лучше высыпаться.
Доктор Джуло Тонони, ведущий автор исследования, считает, что последствия этого исследования выходят далеко за рамки сна.
«Мы смогли сравнить, как ведет себя спящий мозг по сравнению с бодрствующим. Это исследование может стать ценной моделью для исследования сознания», говорит он.