Ученые, изучающие сон, борются с загадкой: что это вообще такое? Это может шокировать непосвященных, но убедительное определение сна все еще ускользает от ученых и, вероятно, так и будет, пока его функция не будет полностью установлена. Это не означает, что у науки нет рабочего определения сна.
Корковое определение сна
Исследователи использовали электрофизиологию для характеристики сна с середины 20 века. У животных с развитым неокортексом, включая млекопитающих и птиц, сон проявляется в движениях глаз, изменении мышечного тонуса и паттернах мозговой активности, которые можно обнаружить с помощью электроэнцефалографии (ЭЭГ). Фаза быстрого сна, которая характеризуется быстрым движением глаз, отличается от других фаз поведенческими характеристиками и специфическими паттернами электрической активности в коре головного мозга. Однако невозможно отличить фазу быстрого сна от состояния бодрствования на основании только ЭЭГ, поэтому сон во время этой фазы также известен как парадоксальный сон (REM / PS).
Используя это электрофизиологическое рабочее определение, ученые добились значительного прогресса в расшифровке механизмов, регулирующих сон и пробуждение. Это определение настолько укоренилось в умах исследовательского сообщества, что многие из нас забыли, насколько обманчивым и ограниченным оно может быть. Во-первых, ЭЭГ регистрирует только сигналы от неокортекса, который покрывает и скрывает остальную часть мозга, где на самом деле расположены нервные локусы, которые генерируют и регулируют сон. Во-вторых, поскольку сама по себе ЭЭГ не может отличить REM / PS от бодрствования, ясно, что одной записи активности на поверхности мозга недостаточно для определения сна.
Поведенческое определение сна
В начале 1980-х Ирен Тоблер из Цюрихского университета дала более широкое определение сна, которое применимо ко всем животным, от тараканов до слонов. Она использовала шесть поведенческих критериев: ограниченная подвижность, предпочтение места (например, кровать), особая поза (например, лежа), быстрая обратимость состояния (в отличие от комы) и, самое главное, - повышенный порог возбудимости (отсутствие восприятия окружающей среды), а также гомеостатический контроль. Сегодня, используя эти шесть критериев, исследователи обнаружили сон у сотен позвоночных и беспозвоночных, и в настоящее время нет доказательств того, что они спят.
Кроме того, поведенческие критерии Тоблера позволили ввести хорошо зарекомендовавшие себя (и не относящиеся к неокортексу) генетические модели, такие как дрозофила, C. elegans и рыбок данио. Однако поведенческие критерии ограничены, поскольку они не позволяют количественно оценить сон, в отличие от измерений ЭЭГ и мышечного тонуса. Таким образом, эти исследования сна в первую очередь полагаются на оценку движений. Например, для определения того, спит ли плодовая муха, необходимо, чтобы она была «беспокойной» физически и, возможно, бодрствовала. Только определение сна, основанное на записи активности мозга, может позволить правильную количественную оценку сна, не нарушая естественного поведения животного.
К подкорковому определению сна
Вот парадокс: хотя сон, кажется, характерен для всего животного царства, наше наиболее точное определение этого феномена основано на записях о неокортексе - наименее распространенной части нервной системы среди позвоночных (и полностью отсутствует у беспозвоночных). Использование электрофизиологических и поведенческих критериев привело к значительному прогрессу в понимании механизмов, регулирующих сон и бодрствование у позвоночных. Исследователи определили ядра, цепи и нейротрансмиттеры мозга, которые участвуют в регуляции этих состояний. Кроме того, они определили центры их переключения на ствол мозга и гипоталамус - структуры, хранящиеся у всех позвоночных.
Вместо того чтобы полагаться на неокортекс как на источник сна, определение сна у позвоночных должно основываться на деятельности подкорковых структур, которые его генерируют и регулируют. В этом смысле ствол мозга представляет интерес в первую очередь, так как он содержит области, критические для сна (мостик), возбуждения (голубое пятно, парабрахиальное ядро и т. Д.) И контролирует мышечный тонус. С развитием методов визуализации всего мозга для сравнения двух удаленных видов позвоночных, таких как мышь и рыбка данио, мы скоро сможем определять сон для всех позвоночных на основе динамики общего они сети в более глубоких областях мозга.
К синаптическому и функциональному определению сна
Хотя подкорковое определение сна у позвоночных было бы шагом вперед, его все же нелегко применить к нервной системе беспозвоночных. Таким образом, это не дает действительно универсального определения для всех животных. Если предположить, что сон является основной физиологической потребностью, лучший способ определить его - это выявить эту потребность. Итак, вместо того, чтобы полагаться на определение, основанное на источнике (ЭЭГ, поведение) или регуляторе (нейронные цепи) сна, лучшее определение напрямую ответит на простой вопрос: почему мы спим?
Сон, вероятно, имеет множество функций, но накапливается все больше и больше доказательств того, что его основная роль заключается в регулировании пластичности нервов. Недостаток сна снижает эффективность двигательных и когнитивных задач, а сам сон улучшает умственные функции, память и обучение.
Работа с млекопитающими, другими позвоночными животными (рыбами-зебрами) и беспозвоночными подчеркивает важность сна для ремоделирования синапсов. Ввиду этой общей особенности сон можно сравнить с состоянием, которое способствует нервному развитию: функциональным состоянием, которое сохранилось от простых нейронных цепей до сложных сетей неокортекса. Согласно этой гипотезе, состояние сна позволяет активировать критические механизмы пластичности, чтобы облегчить формирование и разрушение связей внутри нейронных цепей, которые во время непредсказуемой синаптической среды во время бодрствования могли нарушать поведение или учебные процессы. На основании полученных экспериментальных знаний мы можем с уверенностью сказать, что сон - это особый тип пластического состояния. вероятно, сходны по всем типам нервных систем и стадий развития. Это состояние не только важно для правильного функционирования нервной системы, но само зависит от ее активности и целостности.
В ближайшие годы исследования синаптических изменений в мозге, характерных для сна, покажут его первоначальную функцию и установят определение, которое будет применимо не только ко всем типам, но и к большинству типов нейронных сетей, требующих повышенной пластичности.
Также будет интересно посмотреть, сможем ли мы идентифицировать синаптические «сигнатуры» неокортекса во время REM / PS и других фаз сна, что позволит составить их молекулярное определение. Сегодня это может показаться провокационным, потому что REM / PS часто связаны со сновидениями и лежат в основе концепции сна у млекопитающих, но REM / PS могут существовать в своей наиболее редкой синаптической форме у других позвоночных и беспозвоночных.
