Сон по-прежнему остается одной из ключевых загадок для ученых. Хотя он играет важную роль в поддержании физического и психического здоровья, многие его процессы остаются неизученными. Недавнее исследование, проведенное в Мичиганском университете, помогает понять одну из наиболее интересных черт сна — постоянную последовательность его фаз и их воздействие на память.
Во время сна мозг последовательно проходит через две основные фазы: медленный сон (non-REM), отличающийся сниженной мозговой активностью, и быстрый сон (REM), характеризующийся активацией мозга и появлением ярких сновидений. Этот цикл свойственен всем спящим организмам, от людей до грызунов, и свидетельствует о его важности для биологических процессов. Но какова значимость этой череды?
Новую теорию предложила группа исследователей под руководством Сары Атон, профессора молекулярной, клеточной и эволюционной биологии, и Михала Зоховского. В своей работе, опубликованной в PLoS Computational Biology, они утверждают, что медленный сон способствует консолидации воспоминаний, а быстрый – помогает их «отсечь», тем самым избегая путаницы в информации. Нарушение этой последовательности может привести к тому, что память не будет зафиксирована, а, напротив, будет утеряна.
В рамках исследования ученые использовали мышей, помещая их в новую обстановку. При этом некоторые грызуны подвергались воздействию слабого электрического разряда, в то время как другие – нет. После этого специалисты изучали активность мозга во время сна, фокусируясь на гиппокампе, который играет важную роль в формировании памяти.
Анализ данных выявил, что в период медленного сна активировались нейроны, отвечающие за формирование воспоминаний, что способствовало их укреплению. Более значимым оказался результат, полученный при изучении фазы быстрого сна: в этот период мозг не только поддерживал сохранность информации, но и устранял избыточные нейронные связи, что обеспечивало ясность и структурированность воспоминаний.
«Изменение последовательности фаз сна может привести к тому, что быстрый сон удалит информацию, которую еще не успела закрепить фаза медленного сна «, — объяснила Атон. «Сначала нужно дать ему возможность расти, а затем придать форму, чтобы он не мешал другим растениям «.
В связи с тем, что прямой мониторинг активности отдельных нейронов в живом мозге на данный момент не представляется возможным, исследователи прибегли к использованию компьютерных моделей. Для имитации нейронных цепей были созданы модели, включающие возбуждающие (стимулирующие) и тормозящие (подавляющие) типы клеток. Кроме того, в моделировании учитывалось влияние ацетилхолина — нейромедиатора, концентрация которого варьируется в зависимости от фазы сна.
Согласно результатам моделирования, при недостатке ацетилхолина, что типично для медленного сна, возбуждающие нейроны способствуют консолидации новых воспоминаний. В фазу быстрого сна, напротив, увеличение концентрации ацетилхолина активирует тормозящие нейроны, позволяющие обрезать излишние связи и избегать путаницы.
«Представьте, что у вас прошли три совещания за день«, — пояснил Зоховский. «Качественный сон способствует укреплению каждой фазы, а быстрый сон обеспечивает правильное восприятие и понимание сказанного «.
Ученые также отмечают, что их модель является упрощенной версией, поскольку мозг в действительности обладает гораздо большей сложностью, а исследования проводились с использованием простых воспоминаний. В дальнейшем планируется проверка модели на более сложных сценариях, например, связанных с эмоциональными воспоминаниями или последовательностями событий.
«На данном этапе необходимо продемонстрировать работоспособность модели в различных условиях «, — отметил Зоховский.
Исследование, финансируемое Национальным научным фондом (NSF), Национальными институтами здоровья (NIH) и инициативой Чан Цукерберга, стало важным этапом в изучении механизмов сна. Оно проливает свет на то, почему структура сна является общей для всех живых организмов, и может быть полезно при исследовании таких нарушений, как бессонница или нарколепсия, когда нарушается обычный цикл.
В следующий раз, когда вы засыпаете, помните, что ваш мозг не перестает работать. Он функционирует по определенному алгоритму: сначала происходит построение, затем очистка, чтобы после пробуждения все было упорядочено. Сон в неправильной последовательности подобен форматированию памяти.