Исследования Уокера посвящены влиянию сна на здоровье (и заболевания) человека. Одно из направлений его работы связано с поиском так называемых «окон уязвимости» в течение жизни человека - периодов, когда из-за потери глубокого медленного сна мозг становится более восприимчивым к накоплению бета-амилоида и, как следствие, к развитию болезни Альцгеймера в более позднем возрасте.
Сон как фундаментальная основа способности учиться на опыте
«Невозможно провести ночь без сна и при этом рассчитывать, что вы продолжите нормально обучаться» - Мэттью Уокер
В некотором смысле тот факт, что сон сохраняется практически у всех представителей животного мира, выглядит как парадокс – ведь, закрывая глаза и погружаясь в сон, мы - как и большинство животных - становимся уязвимыми на значительную часть суток. Однако если сон не исчез в ходе эволюции, несмотря на эту уязвимость, значит, отсутствие сна несёт ещё больший риск.
При недостатке сна способность человека к обучению - то есть к формированию новых воспоминаний - начинает быстро разрушаться. Но это лишь одна из важнейших функций сна, которые известны современной науке.
В этом интервью эксперт по сну доктор Мэттью Уокер объясняет, почему сон критически важен для обучения и выживания. Он сравнивает процессы, происходящие во время сна, с системой ввода, хранения и переноса данных в компьютере.
Сон подготавливает мозг к восприятию информации
Формирование воспоминаний - или «кодирование» памяти - происходит в тот момент, когда мозг сталкивается с новой информацией: идеями, действиями, образами. В результате в мозге создаётся внутреннее представление этой информации. И именно сон подготавливает мозг к тому, чтобы он мог усваивать новую информацию и формировать основу для новых следов памяти.
При недостатке сна - особенно глубокого медленного сна, возникающего во время фазы non-REM (сна без быстрых движений глаз) - способность мозга воспринимать новую информацию заметно ухудшается.
Это имеет особенно серьёзные последствия для студентов. Исследования показывают, что у студентов колледжей, лишённых сна, наблюдаются выраженные нарушения способности усваивать новую информацию.
Сон помогает сохранять информацию
Сон также способствует более устойчивому сохранению новой информации, первоначально записанной в гиппокампе - области мозга, отвечающей за формирование и консолидацию кратковременной памяти. Сон после получения новой информации фактически выполняет роль кнопки «Сохранить» для мозга.
Плохой сон, напротив, нарушает способность мозга формировать воспоминания.
Уокер и его коллеги предполагают, что это может быть связано с ограниченной ёмкостью гиппокампа для временного хранения информации. Бодрствование, продолжающееся дольше привычного 16-часового периода, вероятно, начинает превышать возможности этой системы кратковременного хранения.
Сон обеспечивает перенос информации и формирование долговременной памяти
Однако для полноценного обучения недостаточно просто принять и временно сохранить информацию.
Ещё одна функция сна в процессе обучения заключается в том, что именно во время сна новая информация может быть перенесена в долговременное хранилище мозга: в кору больших полушарий, где воспоминания сохраняются и затем могут быть извлечены в будущем.
Без этой фазы переноса возникает риск нарушений памяти, связанных с гиппокампом. Особенно хорошо это заметно у пожилых людей, у которых уменьшается количество глубокого медленного сна и вслед за этим возникают трудности с сохранением воспоминаний в течение ночи.
Новая стратегия выборочного усиления воспоминаний во время сна
Во время сна воспоминания и связанные с ними события, пережитые в период бодрствования, повторно активируются.
По сути мозг «проигрывает заново» события, произошедшие до сна. Этот процесс стабилизирует воспоминания и выполняет функцию своеобразной «обрезки»: сильные ассоциативные связи укрепляются, а слабые - ослабевают.
Общая связь между возрастной потерей глубокого сна, накоплением бета-амилоида и ухудшением памяти
«Если посмотреть на то, как бета-амилоид накапливается в мозге, и сравнить это с динамикой болезни Альцгеймера, то мы увидим нелинейную экспоненциальную кривую. Она практически идеально соответствует тому, что предсказывает модель амилоидного очищения, зависящего от сна» - Мэттью Уокер
Снижение количества глубокого медленного сна начинается гораздо раньше, чем предполагает большинство людей - иногда уже в конце третьего десятилетия жизни.
К 50 годам человек теряет примерно половину глубокого сна, а к 80 годам медленные волны глубокого сна становятся почти неразличимыми. Неудивительно, что старение сопровождается ухудшением когнитивных функций и заметной потерей памяти, особенно при возрастных заболеваниях, таких как болезнь Альцгеймера.
Нарушения сна тесно связаны с болезнью Альцгеймера и её патофизиологией. Характерные изменения сна возникают задолго до клинического начала заболевания. Одним из ключевых факторов развития болезни Альцгеймера является бета-амилоид - токсичный белок, образующий скопления и бляшки в мозге.
Недостаток сна усиливает выработку бета-амилоида, а накопление бета-амилоида, в свою очередь, ухудшает сон. Возникает самоподдерживающийся порочный круг. Недавние исследования показывают, что основное накопление бета-амилоида происходит в медиальной префронтальной коре - области, которую Уокер называет «электрическим эпицентром» глубокого медленного сна. Степень накопления амилоида в этой зоне напрямую предсказывает выраженность когнитивного снижения при болезни Альцгеймера.
Сопутствующая потеря глубокого сна нарушает ночную консолидацию памяти и дополнительно ухудшает процессы, зависящие от гиппокампа. Исследования Уокера показывают, что качество сна в пожилом возрасте может создавать своеобразную устойчивость, замедляя когнитивное снижение, обычно связанное со старением.
Сон и система самоочищения мозга: глимфатическая система
Одной из причин, по которой глубокий медленный сон настолько важен, является его роль в работе глимфатической системы - системы, отвечающей за очищение мозга от продуктов обмена и других отходов.
Глимфатическая система представляет собой обширную сеть межклеточных пространств, заполненных жидкостью и окружающих мелкие сосуды мозга. Эти структуры формируются астроцитарными клетками и обеспечивают выведение белков и метаболитов из центральной нервной системы.
Во время сна объём этих межклеточных пространств увеличивается более чем на 60 процентов.
Это позволяет мозгу проводить своеобразное «промывание», благодаря которому продукты обмена удаляются значительно эффективнее.
Глимфатическая система также участвует в распределении жизненно важных веществ:
- глюкозы
- липидов
- аминокислот
- факторов роста
- нейромодуляторов
Возможно, биологическая потребность во сне частично отражает необходимость в особом периоде «технического обслуживания», во время которого мозг избавляется от потенциально нейротоксичных отходов, включая бета-амилоид. Во время глубокого медленного сна глимфатическая система выводит до 40 процентов накопленного бета-амилоида. При этом всего 36 часов лишения сна повышают уровень амилоида на 25-30 процентов.
Эта новая область исследований ещё раз помогает понять, почему сон оказался настолько важным и устойчивым эволюционным механизмом.
Хотя некоторые факторы действительно могут улучшать работу глимфатической системы, например: физическая активность и достаточное потребление омега-3 жирных кислот, но самым важным фактором остаётся полноценный сон, особенно глубокий медленный сон.
Необходимость немедикаментозных способов улучшения сна
Всё это подчёркивает важность разработки немедикаментозных методов борьбы с нарушениями сна и усиления глубокого медленного сна. Одним из перспективных подходов считается транскраниальная стимуляция постоянным током - неинвазивный метод стимуляции мозга электрическими импульсами.
Исследования показывают, что он способен:
- усиливать глубокий сон
- улучшать память у пожилых людей
- а у молодых людей - даже удваивать её показатели
Среди других подходов:
- аудиторная closed-loop стимуляция - подача звуковых сигналов синхронно с медленными волнами мозга
- а также медленное ритмичное покачивание кровати
Подробнее об этом можно прочитать в публикации Уокера «Sleep: A novel mechanistic pathway, biomarker, and treatment target in the pathology of Alzheimer's disease?»
Одиночество как «социальная инфекция», усиливаемая недосыпанием
«Нам не удалось обнаружить ни одного психиатрического состояния, при котором сон оставался бы полностью нормальным» - Мэттью Уокер
Ещё одним тревожным последствием недостатка сна является формирование своеобразного «фенотипа одиночества».
Недостаток сна вызывает серьёзные изменения в мозге:
- меняет эмоциональные реакции и поведение
- нарушает обмен веществ
- влияет на экспрессию генов иммунной системы
В результате люди, лишённые сна, начинают избегать социальных контактов.
Этот асоциальный профиль распознаётся окружающими, которые, в свою очередь, тоже начинают дистанцироваться от таких людей. Возникает психосоциальный цикл, поддерживающий одиночество и другие психические расстройства.
Нарушение регуляции глюкозы и формирование «ожиряющего» метаболического профиля
Для людей, регулярно отслеживающих уровень глюкозы, влияние сна становится особенно очевидным.
Как объясняет Уокер, даже несколько дней плохого сна - особенно потери глубокого сна - способны вызвать состояние, напоминающее быстрое развитие преддиабета.
Проблема имеет много факторов. Недостаток сна:
- снижает чувствительность β-клеток поджелудочной железы к сигналам глюкозы
- уменьшает чувствительность тканей к инсулину
- нарушает баланс гормонов лептина и грелина, регулирующих аппетит
В результате формируется, как говорит Уокер, «ожиряющий профиль» потребления энергии - метаболическое состояние, способствующее набору веса на фоне хронического недосыпания.
Сон играет жизненно важную роль в поддержании психического и физического здоровья на протяжении всей жизни. Исследования Мэттью Уокера всё больше показывают, что сон - это не второстепенный процесс восстановления, а один из фундаментальных механизмов выживания и устойчивости человеческого организма