В дальнейшем нам придется не раз говорить об этих системах, так что есть смысл, пожалуй, коснуться немного истории изучения тех отделов мозга, где расположены самые главные из них.
Есть ли у человека центры сна?
Пять ступенек в глубину
Как записать картину сна?
Парадоксальный сон
В подземных пещерах
Есть ли у человека центры сна?
В 1924 году швейцарский физиолог Гесс приступил к первым опытам с введением электродов в мозг. Сначала он вводил кошкам в мозг тонкие трубочки, впрыскивал через них различные вещества и наблюдал, как у животных меняется поведение. Потом он решил использовать для раздражения мозга электрический ток. Гесса интересовал таламус (бугор) и гипоталамус (подбугорье). Про гипоталамус было известно, что он контролирует температуру тела и участвует в регуляции эндокринной системы. Оказалось также, что он имеет прямое отношение к регулировке аппетита и жажды.
Что должен делать хищник, ощутив голод? Отправиться на охоту. Охота же требует согласованной работы сердца, дыхания, кровяного давления, секреции желез. И при охоте должен, как никогда, работать аппарат грубых эмоций. Не находится ли и он гипоталамусе? Рассудив так, Гесс не удивился, обнаружив там участок, при раздражении которого током кошка принимала агрессивную позу. Раздражая область суб-таламуса, Гесс вызывал у животных сон. Раздражение тех же областей мозга более сильным током приводило к противоположному эффекту — возбуждению. В последующие годы физиологи не раз воспроизводили опыты Гесса и вызывали у животных испуг, ярость, сон и возбуждение. Невролог Н. И. Гращенков наблюдал вовремя войны раненого, у которого осколок снаряда находился в черепе на уровне гипоталамуса. Попытка извлечь осколок пинцетом мгновенно вызывала глубокий сон, когда же пинцет убирали, раненый тут же просыпался.
После наблюдений Экономо и опытов Гесса, доказавшего, что сон можно вызывать усилением деятельности некоторых мозговых структур, мало кто сомневался в существовании центров сна. Сомневался И. П. Павлов, который весьма высоко ценил полученные Гессом экспериментальные данные, о чем не раз сообщал ему в письмах, но рассуждений и выводов Гесса принять не мог, о чем не забывал упомянуть в тех же письмах.
В лаборатории Павлова было обнаружено, что собаки в процессе выработки условных рефлексов засыпают. Сон у них вызывали некоторые внешние раздражители, которые, как писал Павлов, «в больших полушариях производят тормозной процесс». «Торможение и сон — это одно и то же», — повторял он. Допускал он, впрочем, существование и другого механизма сна. Трактуя опыты А. Д. Сперанского и B. C. Галкина с перерезкой у кошек зрительных, слуховых и обонятельных нервов, он говорил, что здесь сон пассивен и причина его — иссякание потока информации. Есть, говорил он, «два сорта сна: один сон пассивный, в силу отпадения массы раздражений, обыкновенно поступающих в большие полушария, и другой сон — активный, как его и представляют, в виде тормозного процесса, потому что тормозной процесс, конечно, должен представляться активным процессом, а не как состояние не деятельности».
Пассивным казался Павлову и сон больных летаргическим энцефалитом, и сон подопытных кошек Гесса. Не признавая существования в гипоталамусе центра сна, он объяснял этот сон одним лишь разрывом сообщения между большими полушариями и внутренним миром. Не все идеи Павлова о природе сна и бодрствования выдержали проверку временем. Идеи, в которых почти все мозговые функции возлагались на кору, а глубинным отделам отводилась сугубо вспомогательная роль, в которых все многообразие нервных процессов сводилось к возбуждению и торможению, оказались слишком схематичными.
Точно так же и Гесс, обнаружив столько интересного в глубинных структурах, решил, что в мозговых процессах они, а не кора, играют первую скрипку, и они с Павловым долго спорили на эту тему, так ни до чего и не договорившись. Однако образцом прозорливости предстает сегодня перед нами та настойчивость, с которой Павлов твердил, что торможение, охватывающее мозг, активно и что сон меньше всего похож на бездеятельность.
Что должен делать хищник, ощутив голод? Отправиться на охоту. Охота же требует согласованной работы сердца, дыхания, кровяного давления, секреции желез. И при охоте должен, как никогда, работать аппарат грубых эмоций. Не находится ли и он гипоталамусе? Рассудив так, Гесс не удивился, обнаружив там участок, при раздражении которого током кошка принимала агрессивную позу. Раздражая область суб-таламуса, Гесс вызывал у животных сон. Раздражение тех же областей мозга более сильным током приводило к противоположному эффекту — возбуждению. В последующие годы физиологи не раз воспроизводили опыты Гесса и вызывали у животных испуг, ярость, сон и возбуждение. Невролог Н. И. Гращенков наблюдал вовремя войны раненого, у которого осколок снаряда находился в черепе на уровне гипоталамуса. Попытка извлечь осколок пинцетом мгновенно вызывала глубокий сон, когда же пинцет убирали, раненый тут же просыпался.
После наблюдений Экономо и опытов Гесса, доказавшего, что сон можно вызывать усилением деятельности некоторых мозговых структур, мало кто сомневался в существовании центров сна. Сомневался И. П. Павлов, который весьма высоко ценил полученные Гессом экспериментальные данные, о чем не раз сообщал ему в письмах, но рассуждений и выводов Гесса принять не мог, о чем не забывал упомянуть в тех же письмах.
В лаборатории Павлова было обнаружено, что собаки в процессе выработки условных рефлексов засыпают. Сон у них вызывали некоторые внешние раздражители, которые, как писал Павлов, «в больших полушариях производят тормозной процесс». «Торможение и сон — это одно и то же», — повторял он. Допускал он, впрочем, существование и другого механизма сна. Трактуя опыты А. Д. Сперанского и B. C. Галкина с перерезкой у кошек зрительных, слуховых и обонятельных нервов, он говорил, что здесь сон пассивен и причина его — иссякание потока информации. Есть, говорил он, «два сорта сна: один сон пассивный, в силу отпадения массы раздражений, обыкновенно поступающих в большие полушария, и другой сон — активный, как его и представляют, в виде тормозного процесса, потому что тормозной процесс, конечно, должен представляться активным процессом, а не как состояние не деятельности».
Пассивным казался Павлову и сон больных летаргическим энцефалитом, и сон подопытных кошек Гесса. Не признавая существования в гипоталамусе центра сна, он объяснял этот сон одним лишь разрывом сообщения между большими полушариями и внутренним миром. Не все идеи Павлова о природе сна и бодрствования выдержали проверку временем. Идеи, в которых почти все мозговые функции возлагались на кору, а глубинным отделам отводилась сугубо вспомогательная роль, в которых все многообразие нервных процессов сводилось к возбуждению и торможению, оказались слишком схематичными.
Точно так же и Гесс, обнаружив столько интересного в глубинных структурах, решил, что в мозговых процессах они, а не кора, играют первую скрипку, и они с Павловым долго спорили на эту тему, так ни до чего и не договорившись. Однако образцом прозорливости предстает сегодня перед нами та настойчивость, с которой Павлов твердил, что торможение, охватывающее мозг, активно и что сон меньше всего похож на бездеятельность.
Пять ступенек в глубину
В середине тридцатых годов бельгийский нейрофизиолог Бремер провел очень важные опыты. Перерезав кошке спинной мозг на уровне первого шейного сегмента, он получил так называемый изолированный мозг. На электроэнцефалограмме, снятой с этого мозга, отражалась нормальная смена сна и бодрствования. Когда же Бремер сделал перерезку на уровне среднего мозга, получился препарат, который он назвал «конечным изолированным». На снятой с него электроэнцефалограмме была лишь картина сна. Отчего произошла такая перемена, Бремер сразу не догадался. Непрерывный сон он по традиции объяснил снижением притока импульсов к коре. Это было верно, но каких импульсов, и откуда они шли? Оставалось сделать один шаг и найти механизмы, поддерживающие уровень бодрствования. Но шаг этот Бремеру сделать было не суждено. Сделали его в 1949 году американский нейрофизиолог Мэгун и его итальянский коллега Моруцци.
Исследуя больных полиомиелитом, который поражает нижние отделы ствола головного мозга, Мэгун установил, что нарушения мышечного тонуса при этой болезни связаны с разрушением нижних отделов ретикулярной формации. О существовании этой структуры знали еще в прошлом веке, но ее назначение было никому не ведомо. Ретикулярная формация — это огромная сеть нейронов; отсюда и название: ретикулярная — значит сетевидная.
Сеть эта растянута по всему стволу от спинного мозга до гипоталамуса и таламуса включительно. Мэгун и Моруцци доказали, что глубокий сон, который демонстрировал Бремеру «конечный изолированный мозг», вызван был отсечением от полушарий ретикулярной формации, чьи активизирующие импульсы поддерживают не только мышечный тонус, но и надлежащий уровень бодрствования.
Изучение ретикулярной формации было продолжено американскими нейрофизиологами. Они разрушали все пути, по которым направляются в кошачий мозг импульсы из глаза, уха, от кожи и обонятельных луковиц, и сохраняли только связи ретикулярной формации с большими полушариями. Никаких изменений на электроэнцефалограмме, никакого понижения уровня бодрствования! Когда же все пути между органами чувств и корой оставались нетронутыми, а разрушалась ретикулярная формация, наступал сон. Так появилось весьма важное дополнение к прежним гипотезам о том, как влияет на состояние мозга сокращение потока поступающих в него импульсов.
Природа позаботилась о том, чтобы все импульсы, приходящие от органов чувств в соответствующие отделы коры, попадали и в ретикулярную формацию. Вот перед нашими глазами неожиданно возникает яркий свет. По зрительным волокнам сигнал о свете отправляется к зрительной коре. Но, проходя через ствол мозга, сигнал делится на две части. Одна часть продолжает свой путь в затылочную долю, где находится зрительная кора, а другая по особым ответвлениям направляется в ретикулярную формацию. А что произойдет, если мы услышим громкий звук? Часть сигналов попадет в слуховую кору, расположенную в височной доле, а часть — опять в ретикулярную формацию.
Пока специфические мозговые системы, то есть системы, связанные с органами чувств определенного типа и с раздражителями определенной модальности, анализируют поступающие сигналы, неспецифические, то есть относительно безразличные к тому, поступает информация зрительная, слуховая или осязательная (к неспецифическим относится и ретикулярная формация), оценивают те же сигналы по их значимости для организма и готовят его к ответным действиям. Вот для чего и параллельный поток сигналов. В верхних отделах ретикулярной формации имеется механизм, поддерживающий необходимый нам уровень бодрствования. Это так называемая активирующая восходящая система. Ее разрушение и повергает животное в сон. Уровень бодрствования поддерживается постоянным потоком импульсов, идущих из ретикулярной формации в кору. Даже во сне эта «фоновая активность» не исчезает совсем, а лишь снижается до определенного порога, что позволяет животным просыпаться при приближении опасности. Когда же сигнал приобретает особое значение, поток импульсов возрастает, и вместе с ним возрастает внимание и сосредоточенность. Мозг уже не просто регистрирует сигнал, а изучает его.
Исследуя больных полиомиелитом, который поражает нижние отделы ствола головного мозга, Мэгун установил, что нарушения мышечного тонуса при этой болезни связаны с разрушением нижних отделов ретикулярной формации. О существовании этой структуры знали еще в прошлом веке, но ее назначение было никому не ведомо. Ретикулярная формация — это огромная сеть нейронов; отсюда и название: ретикулярная — значит сетевидная.
Сеть эта растянута по всему стволу от спинного мозга до гипоталамуса и таламуса включительно. Мэгун и Моруцци доказали, что глубокий сон, который демонстрировал Бремеру «конечный изолированный мозг», вызван был отсечением от полушарий ретикулярной формации, чьи активизирующие импульсы поддерживают не только мышечный тонус, но и надлежащий уровень бодрствования.
Изучение ретикулярной формации было продолжено американскими нейрофизиологами. Они разрушали все пути, по которым направляются в кошачий мозг импульсы из глаза, уха, от кожи и обонятельных луковиц, и сохраняли только связи ретикулярной формации с большими полушариями. Никаких изменений на электроэнцефалограмме, никакого понижения уровня бодрствования! Когда же все пути между органами чувств и корой оставались нетронутыми, а разрушалась ретикулярная формация, наступал сон. Так появилось весьма важное дополнение к прежним гипотезам о том, как влияет на состояние мозга сокращение потока поступающих в него импульсов.
Природа позаботилась о том, чтобы все импульсы, приходящие от органов чувств в соответствующие отделы коры, попадали и в ретикулярную формацию. Вот перед нашими глазами неожиданно возникает яркий свет. По зрительным волокнам сигнал о свете отправляется к зрительной коре. Но, проходя через ствол мозга, сигнал делится на две части. Одна часть продолжает свой путь в затылочную долю, где находится зрительная кора, а другая по особым ответвлениям направляется в ретикулярную формацию. А что произойдет, если мы услышим громкий звук? Часть сигналов попадет в слуховую кору, расположенную в височной доле, а часть — опять в ретикулярную формацию.
Пока специфические мозговые системы, то есть системы, связанные с органами чувств определенного типа и с раздражителями определенной модальности, анализируют поступающие сигналы, неспецифические, то есть относительно безразличные к тому, поступает информация зрительная, слуховая или осязательная (к неспецифическим относится и ретикулярная формация), оценивают те же сигналы по их значимости для организма и готовят его к ответным действиям. Вот для чего и параллельный поток сигналов. В верхних отделах ретикулярной формации имеется механизм, поддерживающий необходимый нам уровень бодрствования. Это так называемая активирующая восходящая система. Ее разрушение и повергает животное в сон. Уровень бодрствования поддерживается постоянным потоком импульсов, идущих из ретикулярной формации в кору. Даже во сне эта «фоновая активность» не исчезает совсем, а лишь снижается до определенного порога, что позволяет животным просыпаться при приближении опасности. Когда же сигнал приобретает особое значение, поток импульсов возрастает, и вместе с ним возрастает внимание и сосредоточенность. Мозг уже не просто регистрирует сигнал, а изучает его.
Как записать картину сна?
Бодрствование — это активный процесс, поддерживаемый ретикулярной формацией. А сон? Выходит, сон пассивен? Выходит, это просто-напросто «не бодрствование», возникающее из-за снижения потока импульсов? Ничего подобного: сон не менее активен, чем бодрствование. Достаточно взглянуть на электроэнцефалограмму… Впрочем, об электроэнцефалографии тоже следует рассказать подробнее.
Первым, кто записал электрические потенциалы мозга, был мэр Ливерпуля лорд Ричард Катон. В 1875 году он обнаружил на скальпе у кроликов и обезьян разность потенциалов между двумя точками.
В середине двадцатых годов XX века к опытам приступил австрийский врач и ученый Ганс Бергер.
Приклеив к голове добровольцев металлические пластинки, он соединил их с гальванометром и увидел на шкале колеблющиеся потенциалы в несколько тысячных вольта. Дальше представьте себе ползущую бумажную ленту, на которой фотографируются положения зеркальца гальванометра и начерченные на бумаге кривые, отражающие измерения биопотенциалов во времени. Эти изменения стали называть волнами или ритмами.
Для подлинного расцвета электроэнцефалографии потребовалось еще лет десять, в течение которых были разработаны высокочувствительные усилители и сделана основательная классификация мозговых ритмов. В современных клиниках электроды прикладывают уже не к двум точкам головы, как это делал Бергер, а ко многим участкам, прибор же вычерчивает от четырех до шестнадцати кривых. Расцвету электроэнцефалографии сопутствовала бурная вспышка фантазии среди широкой публики. Только и было разговоров, что о чтении мыслей, закодированных в узоре электроэнцефалограммы. К счастью, о мыслях можно только догадываться: кривые отражают лишь среднее электрическое состояние сотен миллионов нейронов на каком-нибудь участке мозга. Но и это состояние способно рассказать о многом.
Вот перед нами альфа-ритм — ритм спокойного, расслабленного бодрствования с закрытыми глазами, когда мозг ничем не занят, а зрение отдыхает. Человек сосредоточился, и на месте альфа-ритма появился частый, стремительный бета-ритм. Есть свой рисунок у затруднения, беспокойства, ожидания, восторга — у всех эмоциональных состояний.
Бергер обнаружил, что ритмы бодрствования резко отличаются от ритмов сна; в последующих опытах канадского нейрофизиолога Джаспера и его английского коллеги Эдриана это подтвердилось. Эдриан предложил оценивать биопотенциалы мозга с точки зрения синхронизации и десинхронизации работы нейронов. Когда нейроны работают синхронно, то есть одновременно, на электроэнцефалограмме видны медленные высокоамплитудные волны, а когда вразнобой — быстрые низкоамплитудные. Картина синхронной работы как раз характерна для сна. Электроэнцефалограмма же, снятая во время напряженного бодрствования, выглядит почти плоской линией, иногда украшенной низковольтными колебаниями. Кажется, должно быть наоборот: чем интенсивнее деятельность, тем ярче ее электрический эквивалент. Так оно и бывает при записи биотоков со скелетной мышцы или сердца. А тут иначе: чем напряженнее работает мозг, тем более плоские и невыразительные линии выползают из-под самописцев прибора. В выпуклости и яркости ритмов отражается синхронность работы нейронов; их электрические сигналы, складываясь, рождают медленные ритмы. Работающим же вразнобой нейронам никак не сложить свои импульсы, и от этого линия на электроэнцефалограмме получается почти прямой, это как бы равнодействующая многих тысяч самостоятельных залпов.
Синхронизирующих механизмов, усиливающих свою деятельность, когда мы засыпаем, было найдено несколько — в области таламуса, в передней части гипоталамуса и перегородке, в нижней части ствола. Последний механизм был назван в честь своего открывателя аппаратом Моруцци.
Нейрофизиологи, экспериментируя над животными, начали снимать электроэнцефалограммы уже не со скальпа, а прямо с мозговых структур. Вот тут-то и обнаружилось, что представления о сне, как о пассивном процессе или как о торможении, лишены всякого основания. Это весьма активный процесс, целиком обязанный усиленной деятельности синхронизирующих систем. Кошкам вводили в мозг сразу несколько сот электродов. Во время бодрствования половина нейронов оказывалась у них в состоянии возбуждения, а половина была заторможена. Во время сна количественное соотношение не изменилось, изменилось лишь расположение возбужденных и заторможенных нейронов. Впоследствии же обнаружилось, что во сне многие нейроны даже усиливают свою спонтанную активность, а возбудимость нейронных систем в проекционных зонах коры возрастает. Словом, во сне мозг так же деятелен, как и в бодрствовании, только в эту деятельность часто вовлечены другие нейроны, и работают они в другом режиме.
В конце тридцатых годов английские нейрофизиологи Лумис, Хабарт и Дэвис предложили первую классификацию стадий сна, основанную на показаниях электроэнцефалографа. Получилось у них пять стадий — пять ступенек в глубину.
Во время стадии А на электроэнцефалограмме виден альфа-ритм (с частотой 9-12 герц). Постепенно он становится неравномерным, амплитуда его уменьшается, периодически он исчезает.
Наступает стадия В — дремота, или поверхностный сон. Электроэнцефалограмма представляет собой почти ровную линию, на фоне которой появляются волны более низкой, чем исчезнувший альфа-ритм, частоты, а именно тета– и бета-ритмы. Перед переходом к следующей стадии можно заметить так называемые вертекс-потенциалы — острые волны с большой амплитудой.
Стадия С — сон еще поверхностный, но уже настоящий. Появляются «сонные веретена» — группы волн с частотой 13-14 герц. Быстрые бета-ритмы пропадают; их место постепенно занимают низкоамплитудные колебания в дельта-диапазоне. В стадиях D и Е сначала на фоне сонных веретен, а потом уже и без них нарастает количество медленных дельта-волн с частотой 0,5-4 герца и относительно большой амплитудой.
Стадия D — сон средней глубины, стадия Е — самый глубокий сон.
Классификация Лумиса и его коллег продержалась без существенных изменений лет пятнадцать. Потом ее решили упростить. Стадию А объединили со стадией В, четыре получившиеся стадии перенумеровали римскими цифрами — от I до IV.
Иногда мы будем пользоваться этим упрощенным вариантом. Но чаще всего нам достаточно будет самого простого деления — на дремоту, стадию сонных веретен и дельта-сна.
Первым, кто записал электрические потенциалы мозга, был мэр Ливерпуля лорд Ричард Катон. В 1875 году он обнаружил на скальпе у кроликов и обезьян разность потенциалов между двумя точками.
В середине двадцатых годов XX века к опытам приступил австрийский врач и ученый Ганс Бергер.
Приклеив к голове добровольцев металлические пластинки, он соединил их с гальванометром и увидел на шкале колеблющиеся потенциалы в несколько тысячных вольта. Дальше представьте себе ползущую бумажную ленту, на которой фотографируются положения зеркальца гальванометра и начерченные на бумаге кривые, отражающие измерения биопотенциалов во времени. Эти изменения стали называть волнами или ритмами.
Для подлинного расцвета электроэнцефалографии потребовалось еще лет десять, в течение которых были разработаны высокочувствительные усилители и сделана основательная классификация мозговых ритмов. В современных клиниках электроды прикладывают уже не к двум точкам головы, как это делал Бергер, а ко многим участкам, прибор же вычерчивает от четырех до шестнадцати кривых. Расцвету электроэнцефалографии сопутствовала бурная вспышка фантазии среди широкой публики. Только и было разговоров, что о чтении мыслей, закодированных в узоре электроэнцефалограммы. К счастью, о мыслях можно только догадываться: кривые отражают лишь среднее электрическое состояние сотен миллионов нейронов на каком-нибудь участке мозга. Но и это состояние способно рассказать о многом.
Вот перед нами альфа-ритм — ритм спокойного, расслабленного бодрствования с закрытыми глазами, когда мозг ничем не занят, а зрение отдыхает. Человек сосредоточился, и на месте альфа-ритма появился частый, стремительный бета-ритм. Есть свой рисунок у затруднения, беспокойства, ожидания, восторга — у всех эмоциональных состояний.
Синхронизирующих механизмов, усиливающих свою деятельность, когда мы засыпаем, было найдено несколько — в области таламуса, в передней части гипоталамуса и перегородке, в нижней части ствола. Последний механизм был назван в честь своего открывателя аппаратом Моруцци.
Нейрофизиологи, экспериментируя над животными, начали снимать электроэнцефалограммы уже не со скальпа, а прямо с мозговых структур. Вот тут-то и обнаружилось, что представления о сне, как о пассивном процессе или как о торможении, лишены всякого основания. Это весьма активный процесс, целиком обязанный усиленной деятельности синхронизирующих систем. Кошкам вводили в мозг сразу несколько сот электродов. Во время бодрствования половина нейронов оказывалась у них в состоянии возбуждения, а половина была заторможена. Во время сна количественное соотношение не изменилось, изменилось лишь расположение возбужденных и заторможенных нейронов. Впоследствии же обнаружилось, что во сне многие нейроны даже усиливают свою спонтанную активность, а возбудимость нейронных систем в проекционных зонах коры возрастает. Словом, во сне мозг так же деятелен, как и в бодрствовании, только в эту деятельность часто вовлечены другие нейроны, и работают они в другом режиме.
В конце тридцатых годов английские нейрофизиологи Лумис, Хабарт и Дэвис предложили первую классификацию стадий сна, основанную на показаниях электроэнцефалографа. Получилось у них пять стадий — пять ступенек в глубину.
Во время стадии А на электроэнцефалограмме виден альфа-ритм (с частотой 9-12 герц). Постепенно он становится неравномерным, амплитуда его уменьшается, периодически он исчезает.
Наступает стадия В — дремота, или поверхностный сон. Электроэнцефалограмма представляет собой почти ровную линию, на фоне которой появляются волны более низкой, чем исчезнувший альфа-ритм, частоты, а именно тета– и бета-ритмы. Перед переходом к следующей стадии можно заметить так называемые вертекс-потенциалы — острые волны с большой амплитудой.
Стадия С — сон еще поверхностный, но уже настоящий. Появляются «сонные веретена» — группы волн с частотой 13-14 герц. Быстрые бета-ритмы пропадают; их место постепенно занимают низкоамплитудные колебания в дельта-диапазоне. В стадиях D и Е сначала на фоне сонных веретен, а потом уже и без них нарастает количество медленных дельта-волн с частотой 0,5-4 герца и относительно большой амплитудой.
Стадия D — сон средней глубины, стадия Е — самый глубокий сон.
Классификация Лумиса и его коллег продержалась без существенных изменений лет пятнадцать. Потом ее решили упростить. Стадию А объединили со стадией В, четыре получившиеся стадии перенумеровали римскими цифрами — от I до IV.
Иногда мы будем пользоваться этим упрощенным вариантом. Но чаще всего нам достаточно будет самого простого деления — на дремоту, стадию сонных веретен и дельта-сна.
Парадоксальный сон
Бодрствование — состояние тоже неоднородное и его можно разделить на стадии. Собственно, это было известно всегда, но находилось за пределами исследований и классификаций.
Электроэнцефалография позволила разделить бодрствование на три стадии, или ступени. Верхняя, которую можно назвать напряженным бодрствованием, соответствует периодам самой интенсивной умственной и физической деятельности. Средняя — это, так сказать, нормальное бодрствование; оно весьма далеко от сна, но уже не связано с привычной деятельностью и особыми эмоциями не окрашено. Наконец, нижняя ступень — бодрствование расслабленное; крайняя его степень — переход ко сну на фоне внутреннего созерцания: человек еще не спит, но уже отрешен от внешнего мира углублен в себя. Здесь, как и во сне, каждой ступени соответствует своя картина биоэлектрической активности мозга.
Все разложено по полочкам. Кажется, можно сесть и спокойно поразмыслить о сущности и назначении сна, об его взаимоотношениях с бодрствованием… Именно такое настроение и было у физиологов, занимавшихся этой проблемой в начале пятидесятых годов, как вдруг перед их взором возник нежданно-негаданно парадокс, смешавший им все карты.
Парадокс так и назвали — парадоксальный сон. Открыл его в 1952 году аспирант доктора Натаниэля Клейтмана, руководителя лаборатории сна в Чикагском университете. Звали аспиранта Юджин Азеринский.
Клейтман изучал связи между биологическими часами и температурой, давлением крови, сердечной деятельностью и обменом веществ. Подобно английским физиологам, проводившим лето на Шпицбергене, он тоже пробовал переставлять биологические часы и вместе со своим помощником спускался в подземные пещеры Кентукки, где всегда была постоянная температура, постоянный мрак и снаружи не доносилось никаких звуков. Клейтману удалось навязать своему организму непривычный ритм сна и бодрствования. После этого он начал изучать тот же ритм у маленьких детей и, непрерывно записывая у них биотоки, доказал, что грудные дети в возрасте нескольких недель бодрствуют не два часа в сутки, как думали прежде, а целых восемь часов.
Наблюдая за этими детьми, Азеринский сделал открытие. Он заметил, что во время сна у них периодически появляются быстрые движения глаз, сопровождающиеся на электроэнцефалограмме быстрыми низковольтными ритмами. Детям прикрепили к векам концы тончайших электродов и в течение многих месяцев регистрировали у них электрические импульсы глазных мышц. Так было положено начало полиграфическим исследованиям сна — записи биотоков мозга в сочетании с записью движений глаз (электроокулограмма), движений мышц (электромиограмма), сердечных ритмов (электрокардиограмма) и кожно-гальванических реакций.
Движения глазных яблок наблюдали и до Азеринского, но им не придавали особого значения и не сопоставляли с электроэнцефалограммой. Никому из ученых до Клейтмана не приходило в голову, что эти движения, по крайней мере у взрослых, могут быть связаны со сновидениями. Клейтман же это заподозрил и начал экспериментировать со взрослыми испытуемыми. Классификации, с которыми мы познакомились в прошлой главе, заканчивались стадией глубокого сна, а быстрые движения глаз начинаются как раз после этой стадии.
Сначала Клейтман проводил исследования со своими сотрудниками и студентами; среди его студентов был Уильям Демент, будущий психиатр в Стэнфордском университете и такой же, как Клейтман, энтузиаст проблемы сна. Предметом исследований была та фаза сна, которая сопровождалась быстрыми движениями глаз, или сокращенно REM-фаза (от первых букв английских слов rapid eyes— быстрые движения глаз). Постепенно начала вырисовываться следующая картина. Быстрые движения глаз появляются 4-6 раз за ночь, впервые через час-полтора после засыпания. Этот интервал, в основном, сохраняется до полного пробуждения, но длительность быстрых движений глаз к утру нарастает. Первый раз они могут продолжаться от шести до десяти минут, а последний — полчаса, а то и больше. Во время REM-фазы электроэнцефалограмма регистрирует совершенную десинхронизацию. Если не особенно вдаваться в подробности, картина очень похожа то на дремоту, то на бодрствование. Между тем мышечный тонус еще ниже, чем во время дельта-сна, после которого, вернее, после короткой промежуточной стадии, когда на электроэнцефалограмме снова появляются сонные веретена и наступает REM-фаза. Человек погружен в очень глубокий сон, и разбудить его в этой стадии гораздо труднее, чем когда он пребывает в самом глубоком дельта-сне, и это при энцефалограмме, показывающей чуть ли не бодрствование!
Вот почему французский ученый Мишель Жуве и назвал REM-фазу парадоксальным сном в отличие от сна ортодоксального, которым все занимались до 1952 года. В наши дни большинство исследователей предпочитают называть парадоксальный сон просто быстрым, а ортодоксальный — медленным; быстрым — не только из-за быстрых движений глаз, но главным образом из-за быстрых ритмов на электроэнцефалограмме, и медленным — из-за медленных ритмов.
Таким образом, ночной сон складывается из циклов, а каждый цикл из пяти стадий — четырех стадий медленного сна и стадии быстрого. Если судить по глубине сна и нарисовать соответствующую кривую, то у нас получится несколько спусков по лестнице вниз, заканчивающихся подъемами на лифте: после быстрого сна мы сразу поднимаемся в поверхностный. Эти спуски и подъемы образуют своего рода биологический ритм, равный приблизительно полутора часам. Внутренняя структура цикла «спуск-подъем» меняется от вечера к утру: в первых циклах доля быстрого сна невелика и преобладает медленный сон, в последних медленный сон уступает место быстрому; от медленного сна иногда остается лишь стадия сонных веретен. Есть предположение, что полуторачасовой ритм является одним из основных биоритмов и в неявной форме не покидает нас и во время бодрствования.
Первые годы после открытия быстрого сна ознаменовались всевозможными открытиями, с ним связанными. Были уточнены его тонические, то есть существующие во время всего периода, и фазические, то есть кратковременные, проявления. К первым относят характерные изменения в электроэнцефалограмме, резкое падение мышечного тонуса, особенно мышц шеи и лица (до биоэлектрического «молчания» на электромиограмме), усиление мозгового кровотока, а ко вторым — быстрые, скачкообразные движения глаз, подергивания мышц, колебания сердечного ритма, дыхания и кровяного давления. У животных, кроме того, поднимается температура мозга и появляется особый ритм биотоков в мозговых структурах, связанных с организацией инстинктивного поведения и эмоциональных процессов.
Но самое замечательное в том, что быстрый сон оказался связанным со сновидениями. В 80-90% случаев те, кого будили во время быстрого сна, сообщали, что они только что видели сновидения, и охотно рассказывали его. Если же их будили хотя бы через несколько минут после окончания быстрого сна, они забывали большую часть своего сновидения. Дементу и другим исследователям удалось опровергнуть два укоренившихся заблуждения. Раньше считалось, что есть люди, которые видят сны, и есть люди, которые снов не видят. А оказалось, что сновидения бывают у всех без исключения, просто одни их помнят, а другие нет. Думали также, что сновидение длится лишь секунды, а оказалось, что оно может длиться целых полчаса. Действие, происходящее в сновидении, занимает иногда столько же времени, сколько продолжалось бы оно в реальной обстановке.
У новорожденного быстрый сон составляет более 50% общей продолжительности сна, у ребенка до двух лет — 30%, от двух до пяти — 20%, от пяти до тринадцати — 10%, у взрослых — от 15 до 25%. Видят ли сны новорожденные, мы обсудим позже; мы же с вами, без сомнения, их видим, причем видим буквально, так как быстрые движения глаз означают, что мы смотрим. И учащенное наше дыхание, и переменчивый пульс, и повышенное давление — все это не что иное, как вегетативный аккомпанемент к «смотрению» снов, за которым, с одной стороны, скрывается усиленный обмен веществ со значительным расходом энергии, а с другой — недвусмысленные волнения и переживания, иногда прямо эмоциональные бури. Вот вам и отдых!
А каково процентное соотношение между всеми стадиями сна? По нашим данным I стадия занимает в среднем у здорового взрослого человека 12,1% ночного сна, II стадия — 38,1%, стадия — 14,2%, IV стадия — 12,1%, а быстрый сон — 23,5%.
Быстрый сон глубже медленного. В его организации участвуют древние отделы мозга. Младенцы отдают предпочтение ему. Некоторые ученые на этом основании полагают, что в ходе эволюции он появился раньше медленного. Однако положение дел в филогенезе заставляет думать обратное. Быстрый сон появляется у птиц и занимает у них 0,1% сна. У кролика быстрый сон не превышает 3%, у овец тоже, у крыс он достигает 10%, у кошек — 20%, у обезьян — 10%. Многое говорит за то, что длительность быстрого сна находится в прямой зависимости от величины тела и продолжительности жизни и в обратной — от интенсивности основного обмена. А отчего у кролика так мало быстрого сна, а у кошки много? Закономерность видна и тут. Кошка — двоюродная сестра хищников, а кролик их обычная жертва. Животные-охотники могли сколько угодно видеть сны, а их жертвы не имели права. Вот почему у всех жвачных быстрый сон так же короток, как и у кролика. Жвачные жуют свою жвачку всю ночь. Они спят с открытыми глазами и жуют. Чтобы жевать, им приходится держать голову и шею выпрямленными. Если их мышцы ослабнут и голова опустится, жевать им не удастся. Может быть, у них нет быстрого сна и сновидений еще и по этой причине?
Быстрый сон — что же это такое? Глубина и поверхностность, пассивность и активность — все переплетено в нем самым причудливым образом. Полно, да сон ли это! Не бодрствование ли это, обращенное вглубь? А может быть, это третье состояние, третья форма жизни? Первая — бодрствование, вторая — медленный сон, третья — быстрый. Такие мысли приходили в голову многим исследователям, когда они начали сталкиваться то с одним, то с другим парадоксом быстрого сна.
Электроэнцефалография позволила разделить бодрствование на три стадии, или ступени. Верхняя, которую можно назвать напряженным бодрствованием, соответствует периодам самой интенсивной умственной и физической деятельности. Средняя — это, так сказать, нормальное бодрствование; оно весьма далеко от сна, но уже не связано с привычной деятельностью и особыми эмоциями не окрашено. Наконец, нижняя ступень — бодрствование расслабленное; крайняя его степень — переход ко сну на фоне внутреннего созерцания: человек еще не спит, но уже отрешен от внешнего мира углублен в себя. Здесь, как и во сне, каждой ступени соответствует своя картина биоэлектрической активности мозга.
Все разложено по полочкам. Кажется, можно сесть и спокойно поразмыслить о сущности и назначении сна, об его взаимоотношениях с бодрствованием… Именно такое настроение и было у физиологов, занимавшихся этой проблемой в начале пятидесятых годов, как вдруг перед их взором возник нежданно-негаданно парадокс, смешавший им все карты.
Парадокс так и назвали — парадоксальный сон. Открыл его в 1952 году аспирант доктора Натаниэля Клейтмана, руководителя лаборатории сна в Чикагском университете. Звали аспиранта Юджин Азеринский.
Клейтман изучал связи между биологическими часами и температурой, давлением крови, сердечной деятельностью и обменом веществ. Подобно английским физиологам, проводившим лето на Шпицбергене, он тоже пробовал переставлять биологические часы и вместе со своим помощником спускался в подземные пещеры Кентукки, где всегда была постоянная температура, постоянный мрак и снаружи не доносилось никаких звуков. Клейтману удалось навязать своему организму непривычный ритм сна и бодрствования. После этого он начал изучать тот же ритм у маленьких детей и, непрерывно записывая у них биотоки, доказал, что грудные дети в возрасте нескольких недель бодрствуют не два часа в сутки, как думали прежде, а целых восемь часов.
Наблюдая за этими детьми, Азеринский сделал открытие. Он заметил, что во время сна у них периодически появляются быстрые движения глаз, сопровождающиеся на электроэнцефалограмме быстрыми низковольтными ритмами. Детям прикрепили к векам концы тончайших электродов и в течение многих месяцев регистрировали у них электрические импульсы глазных мышц. Так было положено начало полиграфическим исследованиям сна — записи биотоков мозга в сочетании с записью движений глаз (электроокулограмма), движений мышц (электромиограмма), сердечных ритмов (электрокардиограмма) и кожно-гальванических реакций.
Движения глазных яблок наблюдали и до Азеринского, но им не придавали особого значения и не сопоставляли с электроэнцефалограммой. Никому из ученых до Клейтмана не приходило в голову, что эти движения, по крайней мере у взрослых, могут быть связаны со сновидениями. Клейтман же это заподозрил и начал экспериментировать со взрослыми испытуемыми. Классификации, с которыми мы познакомились в прошлой главе, заканчивались стадией глубокого сна, а быстрые движения глаз начинаются как раз после этой стадии.
Сначала Клейтман проводил исследования со своими сотрудниками и студентами; среди его студентов был Уильям Демент, будущий психиатр в Стэнфордском университете и такой же, как Клейтман, энтузиаст проблемы сна. Предметом исследований была та фаза сна, которая сопровождалась быстрыми движениями глаз, или сокращенно REM-фаза (от первых букв английских слов rapid eyes— быстрые движения глаз). Постепенно начала вырисовываться следующая картина. Быстрые движения глаз появляются 4-6 раз за ночь, впервые через час-полтора после засыпания. Этот интервал, в основном, сохраняется до полного пробуждения, но длительность быстрых движений глаз к утру нарастает. Первый раз они могут продолжаться от шести до десяти минут, а последний — полчаса, а то и больше. Во время REM-фазы электроэнцефалограмма регистрирует совершенную десинхронизацию. Если не особенно вдаваться в подробности, картина очень похожа то на дремоту, то на бодрствование. Между тем мышечный тонус еще ниже, чем во время дельта-сна, после которого, вернее, после короткой промежуточной стадии, когда на электроэнцефалограмме снова появляются сонные веретена и наступает REM-фаза. Человек погружен в очень глубокий сон, и разбудить его в этой стадии гораздо труднее, чем когда он пребывает в самом глубоком дельта-сне, и это при энцефалограмме, показывающей чуть ли не бодрствование!
Вот почему французский ученый Мишель Жуве и назвал REM-фазу парадоксальным сном в отличие от сна ортодоксального, которым все занимались до 1952 года. В наши дни большинство исследователей предпочитают называть парадоксальный сон просто быстрым, а ортодоксальный — медленным; быстрым — не только из-за быстрых движений глаз, но главным образом из-за быстрых ритмов на электроэнцефалограмме, и медленным — из-за медленных ритмов.
Таким образом, ночной сон складывается из циклов, а каждый цикл из пяти стадий — четырех стадий медленного сна и стадии быстрого. Если судить по глубине сна и нарисовать соответствующую кривую, то у нас получится несколько спусков по лестнице вниз, заканчивающихся подъемами на лифте: после быстрого сна мы сразу поднимаемся в поверхностный. Эти спуски и подъемы образуют своего рода биологический ритм, равный приблизительно полутора часам. Внутренняя структура цикла «спуск-подъем» меняется от вечера к утру: в первых циклах доля быстрого сна невелика и преобладает медленный сон, в последних медленный сон уступает место быстрому; от медленного сна иногда остается лишь стадия сонных веретен. Есть предположение, что полуторачасовой ритм является одним из основных биоритмов и в неявной форме не покидает нас и во время бодрствования.
Первые годы после открытия быстрого сна ознаменовались всевозможными открытиями, с ним связанными. Были уточнены его тонические, то есть существующие во время всего периода, и фазические, то есть кратковременные, проявления. К первым относят характерные изменения в электроэнцефалограмме, резкое падение мышечного тонуса, особенно мышц шеи и лица (до биоэлектрического «молчания» на электромиограмме), усиление мозгового кровотока, а ко вторым — быстрые, скачкообразные движения глаз, подергивания мышц, колебания сердечного ритма, дыхания и кровяного давления. У животных, кроме того, поднимается температура мозга и появляется особый ритм биотоков в мозговых структурах, связанных с организацией инстинктивного поведения и эмоциональных процессов.
Но самое замечательное в том, что быстрый сон оказался связанным со сновидениями. В 80-90% случаев те, кого будили во время быстрого сна, сообщали, что они только что видели сновидения, и охотно рассказывали его. Если же их будили хотя бы через несколько минут после окончания быстрого сна, они забывали большую часть своего сновидения. Дементу и другим исследователям удалось опровергнуть два укоренившихся заблуждения. Раньше считалось, что есть люди, которые видят сны, и есть люди, которые снов не видят. А оказалось, что сновидения бывают у всех без исключения, просто одни их помнят, а другие нет. Думали также, что сновидение длится лишь секунды, а оказалось, что оно может длиться целых полчаса. Действие, происходящее в сновидении, занимает иногда столько же времени, сколько продолжалось бы оно в реальной обстановке.
У новорожденного быстрый сон составляет более 50% общей продолжительности сна, у ребенка до двух лет — 30%, от двух до пяти — 20%, от пяти до тринадцати — 10%, у взрослых — от 15 до 25%. Видят ли сны новорожденные, мы обсудим позже; мы же с вами, без сомнения, их видим, причем видим буквально, так как быстрые движения глаз означают, что мы смотрим. И учащенное наше дыхание, и переменчивый пульс, и повышенное давление — все это не что иное, как вегетативный аккомпанемент к «смотрению» снов, за которым, с одной стороны, скрывается усиленный обмен веществ со значительным расходом энергии, а с другой — недвусмысленные волнения и переживания, иногда прямо эмоциональные бури. Вот вам и отдых!
А каково процентное соотношение между всеми стадиями сна? По нашим данным I стадия занимает в среднем у здорового взрослого человека 12,1% ночного сна, II стадия — 38,1%, стадия — 14,2%, IV стадия — 12,1%, а быстрый сон — 23,5%.
Быстрый сон глубже медленного. В его организации участвуют древние отделы мозга. Младенцы отдают предпочтение ему. Некоторые ученые на этом основании полагают, что в ходе эволюции он появился раньше медленного. Однако положение дел в филогенезе заставляет думать обратное. Быстрый сон появляется у птиц и занимает у них 0,1% сна. У кролика быстрый сон не превышает 3%, у овец тоже, у крыс он достигает 10%, у кошек — 20%, у обезьян — 10%. Многое говорит за то, что длительность быстрого сна находится в прямой зависимости от величины тела и продолжительности жизни и в обратной — от интенсивности основного обмена. А отчего у кролика так мало быстрого сна, а у кошки много? Закономерность видна и тут. Кошка — двоюродная сестра хищников, а кролик их обычная жертва. Животные-охотники могли сколько угодно видеть сны, а их жертвы не имели права. Вот почему у всех жвачных быстрый сон так же короток, как и у кролика. Жвачные жуют свою жвачку всю ночь. Они спят с открытыми глазами и жуют. Чтобы жевать, им приходится держать голову и шею выпрямленными. Если их мышцы ослабнут и голова опустится, жевать им не удастся. Может быть, у них нет быстрого сна и сновидений еще и по этой причине?
Быстрый сон — что же это такое? Глубина и поверхностность, пассивность и активность — все переплетено в нем самым причудливым образом. Полно, да сон ли это! Не бодрствование ли это, обращенное вглубь? А может быть, это третье состояние, третья форма жизни? Первая — бодрствование, вторая — медленный сон, третья — быстрый. Такие мысли приходили в голову многим исследователям, когда они начали сталкиваться то с одним, то с другим парадоксом быстрого сна.
В подземных пещерах
Не следует думать, однако, что все парадоксы связаны с быстрым сном. Всякий сон удивителен. Мы заговорили о животных — вот где целая сокровищница парадоксов!
Зачем трижды за ночь поет петух? Чтобы куры не впадали в беспробудный сон и были бы настороже? Слишком примитивное объяснение — все равно ни курице, ни петуху не найти укрытия от хищника. Петухи и куры, впрочем, спят и бодрствуют в определенное время. Но спят ли инфузории, улитки, устрицы, раки — точно неизвестно. Когда речь идет о низших ступенях филогенеза, правильнее, пожалуй, говорить о смене периодов активности и покоя. Вот насекомые, земноводные, рыбы, птицы и млекопитающие — те спят бесспорно.
Зачем трижды за ночь поет петух? Чтобы куры не впадали в беспробудный сон и были бы настороже? Слишком примитивное объяснение — все равно ни курице, ни петуху не найти укрытия от хищника. Петухи и куры, впрочем, спят и бодрствуют в определенное время. Но спят ли инфузории, улитки, устрицы, раки — точно неизвестно. Когда речь идет о низших ступенях филогенеза, правильнее, пожалуй, говорить о смене периодов активности и покоя. Вот насекомые, земноводные, рыбы, птицы и млекопитающие — те спят бесспорно.