Мозг во сне. Что происходит с мозгом, пока мы спим

Рок Андреа

В 1994 году группа израильских ученых под руководством Ави Карни и Дова Саги провела ставшее широко известным исследование по выполнению задач, связанных с визуальным различением: испытуемые должны были определить форму заполненной полосами области, вспыхивающей на экране компьютера на определенном тестовом фоне. Они обнаружили, что скорость выполнения этой задачи по процедурному обучению возрастала не во время тренировки, но через восемь часов после ее завершения. Если при этом испытуемых будили во время фазы REM, у них не получалось освоить эту задачу, а вот если их будили во время медленного сна, выполнение ее никоим образом не ухудшалось.

После этого другие ученые не раз использовали эту израильскую методику и пришли к выводу, что для оптимального обучения необходима комбинация обоих типов сна, не

только REM. Одно из исследований указывает на то, что выполнение новых задач в значительной мере улучшается, если мы получаем достаточную долю медленного сна в первую четверть ночи и достаточную долю сна быстрого — в последнюю четверть. Мэтью Уилсон обнаружил, что это же касается и крыс, и предположил, что во время медленного сна следы памяти удерживаются в гиппокампе для того, чтобы пройти необходимую обработку позднее, во время сна со сновидениями, в особенности во время фаз REM, наступающих во вторую половину ночи. Во время этих поздних стадий REM гиппокамп и соответствующие структуры лимбической системы, такие как миндалевидное тело (которое обрабатывает эмоциональную информацию), обмениваются данными с высокоуровневыми центрами в неокортексе, таким образом усиливая память и закрепляя усвоение.

Теория о том, что мозг во время фазы быстрого сна не только производит сновидения, но и осваивает новые знания, получила подтверждение и с помощью молекулярной биологии. В клетке содержится набор генов, каждый из которых выполняет в организме свои определенные функции. Когда гену надо выполнять предначертанную ему ДНК роль, он активируется, и теперь эту активность можно измерить.

Эта измеряемая активность называется генной экспрессией, проявлением гена. Исследование, проведенное в 2002 году, обнаружило, что специфический ген, который проявляется у крыс, когда они в период бодрствования чему-то учатся, снова и очень сильно проявляется во время поздних фаз REM, а это указывает на то, что изменения на молекулярном уровне, связанные с обучением, происходят как раз в фазе быстрого сна. А если гиппокамп ввести в состояние бездействия, например с помощью анестезии, в неокортексе не наблюдается и связанной с обучением генной экспрессии.

«Существует гипотеза о том, что следы памяти из гиппокампа переходят в неокортекс для длительного хранения, и наше исследование показывает, что это может происходить во время фазы быстрого сна. Особенно во время поздних фаз REM — именно тогда гиппокамп и беседует с неокортексом», — говорит Константин Павлидес, нейрофизиолог из Рокфеллеровского университета. Он один из авторов исследования и протеже Джонатана Уинсона, чьи теории о биологических функциях REM, высказанные еще в 1970-х годах, подкрепляются ныне данными молекулярной биологии.

Исследование, демонстрирующее, что процесс обучения наступает, когда мы отплываем в страну снов, придает новый смысл пословице «Утро вечера мудренее». «Я предполагаю, что, хотя поздние периоды REM особенно благоприятны, для обучения важен полный цикл сна», — считает Смит. Имеется смысл и в «тихом часе». В недавнем исследовании, проведенном в Гарварде группой Роберта Стикголда, испытуемых учили выполнять на компьютере определенную визуальную задачу, и их результаты к концу четвертого за день практического занятия из-за умственной усталости понижались. Но если они после завершения второго занятия полчаса дремали, результаты оставались на том же уровне, а если «тихий час» длился все шестьдесят минут, то на третьем и четвертом занятиях результаты становились выше.

Но есть и скептики, которые сомневаются в том, что быстрый сон играет важную роль в процессе обучения. Они указывают на два примера, которые, по их мнению, противоречат всей теории. Первый случай — это история одного израильтянина, у которого в двадцать лет в результате ранения был поврежден ствол головного мозга. Он не только выжил, но и выздоровел, но, когда спустя тринадцать лет ученые исследовали его сон, выяснилось, что у него вообще почти не было фазы REM, а в те ночи, когда она все-таки бывала, на эту фазу приходилось лишь три процента всего времени сна. Однако же память его повреждена не была, потому что после ранения он окончил не только колледж, но и юридическую школу. «Совершенно очевидно, что можно убрать фазу REM и при этом не лишиться памяти, потому что нет никакой другой

профессии, которая требует больше бездумной зубрежки, чем профессия законника», — ехидничает Джером Сигел, профессор психологии и биобихевиористики Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. Сигел относится к тем скептикам, которые указывают и на еще одну причину усомниться в важности сна в процессе запоминания: существует целый класс антидепрессантов, которые называются ингибиторами моноаминоксидазы и которые имеют четко выраженный побочный эффект: в результате их приема значительно сокращается или вообще исчезает фаза быстрого сна. И хотя эти препараты широко применяются уже в течение нескольких лет, побочные эффекты в виде поражения памяти не отмечены.

Карлайл Смит на это возражает, что требования, предъявляемые к студентам-юристам, и тесты, выполнявшиеся тем израильтянином в ходе обследования, относились в основном к декларативной памяти, а изменения в ней происходят, как правило, при нарушениях медленного сна, а не в результате потери фазы REM. Подобным же образом и обследование пациентов, принимающих антидепрессанты, было сосредоточено на выполнении задач, связанных с декларативной памятью, а люди, у которых нет фазы быстрого сна, без проблем запоминают имена, географические названия и факты. Поскольку обучение не происходит исключительно во время сна, они способны осваивать и процедурные задачи, но не так эффективно, как те, кого быстрый сон посещает столько раз, сколько положено. Различия в результатах обучения могут стать заметными после достаточно продолжительного периода — через сколько-то дней или недель, а таких сравнительных исследований, говорит Смит, еще не проводилось.

Возможно, самые убедительные доказательства того, что мы на самом деле учимся во сне, были получены с помощью технологии визуализации мозга. С людьми проделать те же опыты, которые Мэтью Уилсон проделывал с бегущими по лабиринту крысами — когда он записывал активность отдельных клеток мозга, — невозможно, однако ученые могут использовать визуализацию мозга для определения того, какие участки мозга человека активируются в процессе освоения новых навыков. Они могут также получить изображение мозга во время сна, чтобы посмотреть, активируются ли заново эти же участки, указывая на ментальное воспроизведение опыта.

Именно этим занимался Пьер Маке в 2002 году в своей лаборатории в бельгийском городе Льеже. Испытуемые сидели перед компьютерным монитором, на котором было изображение шести зафиксированных меток, каждой из которых соответствовала своя клавиша на клавиатуре. Под одной из меток появлялся сигнал, он быстро исчезал и появлялся под другой меткой. При появлении сигнала испытуемый должен был быстро нажать соответствующую клавишу. Перед одной группой испытуемых сигналы возникали хаотично, так что выучить их последовательность и тем самым улучшить свои результаты они не могли. А вот в работе со второй группой был использован трюк, о котором испытуемые не знали. В появлении сигналов была определенная последовательность — своего рода искусственная грамматика, которую мозг начинал распознавать и неосознанно осваивать, подобно тому как маленький ребенок неосознанно осваивает грамматику родного языка. «Испытуемые не знали, что они чему-то учатся и чему именно они учатся, а мы, измеряя время их реакции, получили возможность точно определить, научились ли они чему-нибудь», — объясняет Маке.

Участники обеих групп работали за компьютером одинаковое время, причем происходило это во второй половине дня. Ночью же, когда они спали, Маке следил за их мозговой деятельностью с помощью ПЭТ. Некоторых из членов той группы, которая неосознанно обучалась искусственной грамматике, сканировали и во время работы за компьютером, чтобы определить, какие именно участки мозга были задействованы в процессе обучения. (Чтобы сократить время воздействия радиации, применяемой при ПЭТ, испытуемых сканировали либо во время бодрствования, либо во время сна, но никогда не обследовали одного и того же человека в обоих состояниях.) Маке обнаружил, что у участников второй группы во время фазы REM реактивировались те же участки мозга, что и во время работы на компьютере. В той группе, которой сигналы подавались в хаотичном порядке, подобной реактивации не происходило. То есть мозг решил, что ответы на хаотичные сигналы не стоят ментального повторения.