Почему мы не можем обойтись без сна?

Работающая в новенькой лаборатории в Японии международная команда специалистов пытается понять, что заставляет нас отправляться в мир грез.

Цукуба, Япония. Воздух за пределами здания Международного Института Интеграционной медицины сна наполнен тягучим сладким ароматом османтуса (лиственный кустарник — прим. Newочём), а между ветвями кустарников плетут свою паутину крупные золотистые пауки. Неподалеку от главного входа двое мужчин в защитных касках негромко переговариваются между собой, параллельно измеряя пространство и нанося клей на серую стену. Здание настолько новое, что они до сих пор не успели развесить указатели.

Институту всего пять лет, а зданию — и того меньше, но в учреждении уже трудятся около 120 исследователей из разных областей науки (от пульмонологии до химии) и стран (от Швейцарии до Китая). Оно находится в часе езды к северу от Токио. Благодаря выделенному японским правительством гранту и прочим источникам финансирования на базе Цукубского университета директор института Масаши Янагисава создал место для изучения вопросов биологии сна, а не причин и лечения связанных с ним человеческих проблем, как это обычно бывает. Лаборатории набиты аппаратурой, вокруг тихие служебные помещения с погруженными в дрему мышами и множество просторных рабочих кабинетов, соединенных спиральной лестницей. Здесь сосредоточено огромное количество ресурсов, которые должны помочь найти ответ на вопрос — почему же живые существа нуждаются во сне?

Спросите об этом ученых — и вы точно услышите в их голосах смесь восхищения и смущения. В каком-то смысле универсальность сна действительно потрясает воображение: в разгар ожесточенной борьбы за выживание, на протяжении миллиардов лет кровопролития, смерти и ужаса бесчисленное количество живых существ укладывалось на ночь для славного долгого периода забытья. Не особо похоже, чтобы это помогало выжить для еще одного дня борьбы. «Звучит безумно, но все так и есть», — говорит Тарья Поркка-Хайсканен из Хельсинского университета, ведущий специалист по биологии сна. Тот факт, что настолько рисковая привычка оказалась до такой степени широко распространенной, позволяет предположить, что процессы, происходящие в нашем организме в этот период, чрезвычайно важны. В чем бы ни заключалась польза сна, он стоит того, чтобы снова и снова рисковать ради него жизнью.

Конкретные преимущества сна по-прежнему остаются загадкой, привлекающей внимание многих биологов. Одним дождливым вечером группа ученых, собравшихся в традиционном японском баре в Цукубе, смогла продержаться всего полчаса без разговоров о сне. «Даже обычным медузам приходится спать дольше после того, как их в научных целях лишали сна», — изумляется один из них, ссылаясь на новую статью об эксперименте, в ходе которого крохотных созданий постоянно опрыскивали водой, чтобы не дать им вырубиться. «А исследование голубей — вы читали работу по голубям?» — спрашивает кто-то из собравшихся. Там что-то необыкновенное творится, соглашаются его коллеги. На столе остывают тарелки с темпурой из морепродуктов во фритюре с овощами, забытые в пылу обсуждения научных загадок.

В частности, потребность восполнять сон, замеченная не только среди медуз и людей, но и у других представителей животного мира — один из основных инструментов, используемых исследователями при изучении более масштабной проблемы сна. Вопрос о том, зачем нам эта необходимость во сне, считается ключом к пониманию его эффектов.

Биологи называют эту потребность «давлением сна»: засидитесь допоздна, и сонливость начнет одолевать вас. Чувствуете себя вялым по вечерам? Разумеется — ваша дневная активность способствовала появлению давления сна. Но, как и в случае с темной материей, это понятие обозначает процесс, природу которого мы так и не научились понимать. Чем больше времени тратится на изучение давления сна, тем больше оно напоминает загадку из произведений Толкиена: что возрастает по мере бодрствования днем и исчезает во время сна ночью? Это какой-то таймер? Молекула, которая накапливается каждый день и должна быть выведена из организма? Метафорическая сумма часов, укрытая в каком-то из отделов нашего мозга в ожидании того, чтобы каждую ночь быть стертой из памяти?

«Что настолько важно, что вы готовы пойти на риск быть съеденным, не есть самому… ради этого? — размышляет Янагисава вслух в своем просторном, залитом солнцем офисе в здании института. — Что можно назвать физическим эквивалентом состояния сна?»

Биологические исследования давления сна начали проводиться более столетия назад. В одном из наиболее известных экспериментов французский ученый поддерживал собак в состоянии бодрствования более 10 дней. Затем он откачал жидкость из их мозгов и ввел ее нормальным, выспавшимся собакам, которые, в свою очередь, тут же уснули. В жидкости содержался какой-то компонент, вырабатывавшийся в период депривации сна и заставивший псов из контрольной группы тут же уснуть. В научном сообществе тут же началась гонка за таинственным ингредиентом — маленьким помощником Морфея, активатором сна. Конечно, природа гипнотоксина, как его назвал французский ученый, смогла бы пролить свет на вопрос о том, почему животные тут же испытали сонливость.

В первой половине 20 века другие исследователи начали подсоединять электроды к черепам подопытных в попытке подглядеть, что же творится в их спящем мозге. Используя электроэнцефалограф (ЭЭГ), они обнаружили, что мозг не только не пребывает в «отключке», но, напротив, располагает четким графиком действий на период сна. Когда глаза человека закрыты, а дыхание становится более глубоким, яростные росчерки энцефалографа сменяются на неожиданно длинные, плавные волны ранней стадии сна. Спустя 35-40 минут, когда метаболизм подопытного замедляется, а дыхание становится размеренным, мозг словно переключается на другой режим — волны становятся ниже и чаще: это символизирует начало стадии быстрого сна, или БДГ-фазы («быстрые движения глаз» — прим. Newочём) — времени, когда мы видим сны. (Один из исследователей, впервые начавших изучать БДГ, обнаружил, что, наблюдая за движением глаз под веками, он мог предсказать время пробуждения ребенка — хотя он и использовал это знание как забавный фокус на случай вечеринок, чем неизменно восхищал матерей «подопытных»). Спящие люди вновь и вновь проходят через одинаковые стадии цикла, а в конечном счете просыпаются в конце финальной БДГ-фазе — с головой, набитой воспоминаниями о крылатых рыбах и забытых песнях.

Давление сна меняет периодичность и интенсивность мозговых волн. Чем больше подопытный нуждается во сне, тем выше становятся волны во время фазы медленного сна, предшествующей БДГ-стадии. Этот феномен был отмечен у всех живых существ, участвовавших в экспериментах с применением электродов и подвергавшихся депривации сна, включая птиц, морских котиков, кошек, хомяков и дельфинов.

Если вам нужно доказательство того, что сон — со своей сложной многоэтажной структурой и тенденцией забивать вашу голову всякой бессмыслицей — это не какое-нибудь пассивное состояние «сохранения энергии», просто задумайтесь: золотистые хомяки часто просыпаются во время гибернации (зимней спячки) — чтобы вздремнуть. Что бы они ни получали от сна, этот загадочный компонент явно недоступен им в период спячки. Несмотря на то, что почти все процессы в их организме существенно замедлены, в них по-прежнему генерируется давление сна.

«Что я хотел бы узнать, так это почему эта разновидность мозговой активности настолько важна?» — задается вопросом Каспер Вогт, исследователь из института в Цукубе. Он указывает на монитор своего компьютера, на котором отражаются данные эксперимента по выжиганию нейронов у спящих мышей: «Что настолько важно, что вы готовы пойти на риск быть съеденным, отказаться от пищи, размножения… отказаться от всего этого ради сна?»

Поиски гипнотоксина не были безуспешными. Обнаружился целый ряд веществ, которые демонстрировали очевидную способность вызывать сон, в том числе молекула под названием «аденозин», которая, похоже, формируется в определенных участках мозга бодрствующих крыс, а затем расходуется во время сна. Аденозин в особенности интересен тем, что кофеин, по-видимому, действует именно на аденозиновые рецепторы. Как только кофеин связывается с ними, аденозину это уже не удается, благодаря чему кофе и обладает бодрящими свойствами. Но изучение гипнотоксинов полностью не объяснило отслеживание организмом давления сна.

Например, если аденозин действует в момент перехода от бодрствования ко сну, то откуда он берется? «Никто не знает», — отмечает ученый Майкл Лазарус, изучающий аденозин. Некоторые считают, что аденозин вырабатывается нейронами, другие же полагают, что за его выработку отвечает иной класс клеток мозга. Единодушия нет. В любом случае, по мнению Янагисавы, «речь не идет о его запасании». Другими словами, не похоже, что эти вещества хранят в себе информацию о давлении сна. Они всего лишь являются ответом на него.

Вызывающие сон вещества могут быть результатом процесса образования новых связей между нейронами. Исследователи сна из Висконсинского университета Кьяра Чирелли и Джулио Тонони полагают, что формирование таких связей или синапсов — это то, чем занят наш мозг, пока мы бодрствуем. И, возможно, пока мы спим, мозг избавляется от неважных данных, удаляя воспоминания и образы, которые не подходят к остальным или же не нужны для понимания мира. «Сон — это способ избавиться от воспоминаний полезным для мозга образом», — утверждает Тонони. Другая группа исследователей обнаружила белок, который, взаимодействуя с редко используемыми синапсами, вызывает их разрушение. И одним из условий этого процесса может быть высокий уровень аденозина. Возможно, такие чистки случаются как раз во время сна.

То, как именно это происходит, все еще вызывает много вопросов. В поисках сути самого сна и существования давления сна исследователи рассматривают проблему с разных сторон. Группа ученых из Цукубского института, возглавляемая Ю Хаяси, в рамках своих экспериментов вызывает разрушение определенной группы клеток мозга мышей. Эта процедура может иметь поразительный эффект. Лишение мышей непосредственно быстрой фазы сна путем повторного беспокойства их в момент, когда они готовы погрузиться в него (примерно то же, что происходит с родителями плачущих младенцев), вызывает серьезное «давление быстрой фазы сна», которое мышам приходится компенсировать в следующий сон. Но без этого особого набора клеток мыши могут пропустить стадию БДГ без необходимости спать дольше позднее. Отдельный вопрос — как именно это отражается на мыши. Команда ученых изучает влияние БДГ-фазы на показатели жизнедеятельности мышей с помощью когнитивных тестов. Но этот эксперимент основан на предположении о том, что эти клетки или же нейронные сети, частью которых они являются, могут хранить информацию о давлении сна, когда речь идет о сновидениях.

Самому Янагисаве всегда нравились грандиозные программы: например, исследование тысяч белков и клеточных рецепторов с целью выяснить, за что они отвечают. На самом деле один из таких проектов и привел его в науку о сне около 20 лет назад. После открытия нейромедиатора орексина Янагисава и его коллеги поняли, что отсутствие этого вещества приводит к тому, что мыши постоянно отключаются, потому что засыпают. Оказалось, что орексин отсутствует у людей, страдающих нарколепсией, поскольку их организм не способен синтезировать его. Это открытие послужило толчком к бурному развитию исследований предпосылок болезни. Надо сказать, что группа химиков Цукубского института сотрудничает с фармацевтической компанией в рамках исследования, которое должно определить потенциал использования синтетического орексина в медицине.

В настоящее время Янагисава и его коллеги работают над большим проектом, цель которого — определить гены, отвечающие за сон. К каждой мыши, получившей вещество, вызывающее мутацию, прикрепляют датчики ЭЭГ, и пока та видит сны, свернувшись в гнезде из деревянной стружки, машины записывают мозговые волны. На сегодняшний день более 8 000 мышей успели поспать под наблюдением.

Если мышь спит странно (часто просыпается или спит слишком долго), исследователи начинают подробно исследовать ее геном. Если обнаруживается мутация, которая может быть причиной нарушений, ученые с помощью генной инженерии создают мышь с такой мутацией и затем изучают, почему у неё нарушается сон. Многие выдающиеся исследователи проводили эксперименты с плодовыми мушками и добились впечатляющего прогресса. По сравнению с мушками мышей гораздо дороже содержать, но к ним можно прицепить датчики ЭЭГ, прямо как к человеку.

Несколько лет назад исследователи обнаружили мышь, которая, казалось, постоянно находилось под давлением сна. Данные электроэнцефалограммы показывали, что она пребывает в состоянии сонного истощения. Созданные с аналогичной мутацией мыши демонстрировали те же симптомы. «У мутанта во время сна было больше высокоамплитудных мозговых волн, чем нормальных. Мышь была лишена сна все время», — рассказывает Янагисава. Мутация была в гене, названном SIK3. Чем дольше мутировавшая мышь бодрствует, тем больше химических тегов накапливает белок SIK3. Ученые опубликовали свое исследование о мутациях гена SIK3, а также другой мутации «сонного» гена в Nature в 2016 году.

Хотя не до конца ясна связь гена SIK3 с сонливостью, тот факт, что теги накапливаются на ферменте, как песчинки, высыпающиеся на дно песочных часов, приводит исследователей в восторг. «Сами мы убеждены, что ген SIK3 играет одну из ключевых ролей», — говорит Янагисава.

По мере того, как ученые погружаются в загадочную темноту природы сна, эти открытия, подобно лучам фонаря, освещают им путь. Как они связаны и каким образом могут соединиться в единую картину, пока не понятно.

Исследователи удерживаются за надежду, что ясность наступит, может быть, не через год и не через два, но однажды, и быстрее, чем вы можете себе представить. А на верхнем этаже Международного института интеграционной медицины сна мыши занимаются своими делами, просыпаются и спят в выстроенных ряд за рядом пластиковых коробках. В их мозге, как и в нашем, спрятана тайна.