Сон — это одна из базовых потребностей человека, без которой он не может обходиться. Сон нужен не меньше, чем воздух, вода или еда. Если не позволять человеку долгое время спать, он умрёт. Это было известно давно, но учёные не знали, почему именно так происходит. Ранее предполагалось, что во сне восполняются какие-либо невыявленные ранее химические вещества, которые нужны человеческому организму и расходуются во время бодрствования. Оказалось, что это не так.
Исследователи Вашингтонского университета в Сент-Луисе (США) нашли ответ на вопрос, почему млекопитающие не могут обходиться без сна. Дело в том, что во время сна мозг как бы возвращается к исходным оптимальным настройкам, от которых происходит отклонение во время бодрствования. Учёные взяли за основу принцип критичности (состояние равновесия между хаосом и полной упорядоченностью в физике) и предположили, что такое состояние должно быть оптимальным и для работы мозговой системы.
Мозг — это суперкомпьютер
Мозг представляет собой большую систему, состоящую из множества элементов, поэтому принцип критичности подходит и для характеристики его оптимального состояния. Биолог К. Хенген и физик Р. Вессель установили, что мозг стремится к вычислительному режиму, при котором оптимизируется обработка информации: память, динамический диапазон, кодирование и передача сложных последовательностей.
В лабораторных условиях учёные смогли непрерывно наблюдать за активностью нейронов in vivo на протяжении 9 дней. Проведя ряд экспериментов, они зафиксировали состояние критичности и его нарушение. Также они смогли отследить, как перестраиваются нейроны, после чего мозг возвращается в состояние критичности.
Получив новые данные и сопоставив их с результатами других исследований и расчетов, исследователи смогли доказать, что именно за счёт состояния критичности множество независимых нейронов способны продуктивно взаимодействовать.
Возращение к настройкам «по умолчанию» во время сна
Учёные давно заметили, что мозговым системам для более продуктивной работы требуется время на восстановление. Например, если вы что-то интенсивно изучаете, через некоторое время вы заметите, что концентрация начала снижаться — потребуется сделать перерыв. Если не давать мозгу достаточно времени на восстановление, обработку полученной информации и отдых, продуктивность труда начнёт падать.
Исследование сна позволило дать этому явлению научное обоснование. Кит Хенген так описывает данные процессы: «Мозг — это что-то наподобие биологического компьютера. Память и опыт во время бодрствования постепенно изменяют настройки в нём, отклоняя систему от идеального состояния. Во время сна происходит восстановление оптимального вычислительного режима».
Для понимания процессов отклонения от идеального равновесия и восстановления этого состояния, ученые отследили всплески нейронной активности в мозгу молодых крыс. Это помогает разобраться, как именно информация проходит через мозговые системы.
Учёные смогли выяснить, что этот процесс происходит лавинообразно. При этом мозг, близкий к идеальному состоянию критичности, может сгенерировать «лавину» любого размера. А вот возможности уставшего мозга с отклонением от «первоначальных настроек» ограничены: он склоняется либо к очень большим, либо к наименее крупным каскадам.
Например, у крыс, которые недавно проснулись, была зафиксирована максимально разнообразная мозговая активность. А у подопытных животных, которые долго оставались без сна, каскады становились меньше. В результате учёные даже научились прогнозировать, когда зверьки готовы уснуть или проснуться.
Кит Хенген резюмировал результаты исследований таким образом: «Во время бодрствования каждая из цепочек мозга всё дальше отклоняется от состояния критичности. Сон помогает мозговым системам перезагрузиться».
Друзья! Познавательным каналам очень сложно выживать в ленте среди политической повестки и звезд шоу-бизнеса.😔 Сделайте свой маленький вклад в научное просвещение граждан, поставьте палец вверх👍 и подпишитесь на наш канал. Спасибо🥰