Вы когда-либо задавались вопросом, что происходит с вашим мозгом, если вы бодрствуете на протяжении дня, ночи и еще одного дня, прежде чем, наконец-то, пойти спать? Ученые это выяснили.
Биологическое ночное время
В течение многих лет было известно: то, насколько мы чувствуем сонливость, можем складывать числа, концентрировать внимание и выполнять какие-либо задания, зависит от того, как долго мы бодрствовали на протяжении суток. Как правило, если мы не спим в течение двух суток (день, ночь и следующий день), производительность находится на хорошем уровне и не слишком колеблется.
Но когда мы входим в биологическое ночное время, которое характеризируется повышением уровня гормона мелатонина, производительность быстро ухудшается и достигает минимума на отметке 6-8 часов следующего утра. На второй день производительность может быть уже немного лучше (но по-прежнему значительно ниже нормы) и сможет возвратиться к нормальному базовому уровню только после хорошего сна ночью.
Ключевой характеристикой производительности во временной шкале является то, что она не снижается линейно на основании того, как долго вы бодрствовали, а меняется в зависимости от времени суток. Теперь ученые выяснили, что здесь речь идет не о времени суток как таковых, а о «внутреннем биологическом времени суток», что вызывает эффект потери сна. На поведенческом уровне эта функция мозга определяется совместным действием циркадной ритмичности и гомеостазом сна – это напряжение, которое накапливается во время бодрствования и рассеивается во время сна.
Что такое циркадный ритм
Суточные ритмы можно наблюдать во многих аспектах поведения и физиологии. Они порождаются циркадными часами практически в каждой клетке мозга и тела. На практике это значит, что эти ритмы появляются в результате взаимодействия белков и генов, которое выражается в том, что генетическая информация транслируется в белки.
Все эти часы – в том числе и в мозге – синхронизируются центральным проводником, расположенным в мозге, который называется супрахиазматическим ядром в гипоталамусе. Эта область мозга также проводит мелатонин, попадающий в кровь и слюну.
Так как же происходит совместная работа циркадной ритмичности и гомеостаза сна? В течение дня биологические циркадные часы генерируют сигналы оповещения или бодрствования, которые становятся сильнее в течение дня и достигают максимальной силы в вечернее время. Это может показаться немного парадоксальным, но этот сигнал должен стать сильнее в течение дня, поскольку давление, о котором шла речь раньше, также увеличивается, если мы долго не спим. Поэтому что-то должно отвечать за наше оповещение.
Биологическая ночь и длительное бодрствование
Но как только мы входим в биологическую ночь, бодрствование коррелируется с циркадными сигналами и превращается в сон. Максимальная сила сигнала наблюдается в 6-8 часов утра. Опять же, это может показаться парадоксальным, но в нормальных условиях, когда мы спим по ночам, это очень удобно, поскольку сигнал о продолжении сна позволяет нам хорошо выспаться даже после того, как напряжение, вызванное отсутствием сна, испаряется в 6-7 часов.
Проблемы возникают, когда мы бодрствуем целые сутки и на следующий день. В течение ночи напряжение остается высоким и даже возрастает, поскольку мы бодрствуем. Циркадный сигнал больше не противостоит этому давлению, и мы изо всех сил пытаемся не спать. На следующий день циркадные часы, которые до сих пор тикают, вне зависимости от того, спим мы или нет, начинают посылать сигналы бодрствования снова. Таким образом, нам становится намного легче выполнять нужную работу.
Что в это время происходит в мозге?
Все эти объяснения имеют смысл. На самом деле эта рабочая модель получила широкое признание относительно того, что происходит, когда речь идет о поведении. Но как это комбинированное действие циркадного ритма и гомеостаза сна выглядит внутри человеческого мозга?
Команда исследователей из университета Суррея (Англия) просканировала мозг 33 людей с помощью функциональной магниторезонансной томографии (МРТ), которая дает детальную картину уровня нейронной активности по всему мозгу. Сканирование было сделано после того, как участники были лишены сна в течение двух дней, а также после восстановительного сна, который был им предложен. Также ученые измерили уровень мелатонина, чтобы иметь показатель внутреннего биологического времени, которое колеблется в зависимости от человека.
Особенности исследования
Для каждого участника было получено 13 изображений мозга, в то время как они проходили простой тест на время реакции. Было собрано 12 изображений мозга на протяжении всего времени лишения сна, которые характеризировались быстрыми изменениями, ранее наблюдавшимися утром и вечером. Тринадцатое изображение было сделано после восстановительного сна.
Результаты сканирования мозга
Активность в нескольких областях мозга, в частности подкорковых, соответствовала 24-часовой ритмической модели. Как ни странно, она различалась в разных областях мозга. Другие области – в частности лобные и отвечающие за ассоциации высшего порядка – показали снижение активности с течением времени бодрствования с последующим ее возвратом после восстановительного сна. В некоторых участках мозга отмечалось сочетание ритмического рисунка и снижения активности, связанного с периодом бодрствования.
Еще более удивительно то, что это воздействие принудительного лишения сна на активность головного мозга было более очевидным, пока участники выполняли простые задачи на время реакции, по сравнению с более сложной задачей на память.
Все это значит, что, по всей видимости, на различные участки мозга потеря сна и циркадный ритм влияют по-разному. В целом, результаты демонстрируют не только распространенность этих эффектов, но также сходство и локальный характер этих явлений.
Механизмы регуляции потери сна
Разнообразие в реакциях мозга показывает, насколько сложными являются механизмы, с помощью которых он регулирует деятельность организма при отсутствии сна. Это помогает нам понять, как мозг может поддерживать производительность в течение дня и ночи. Результаты могут успокоить людей, которые работают в ночные смены, чтобы они сосредоточились на своих обязанностях, особенно в ранние утренние часы. Да, активность вашего мозга будет отличаться в ночное и дневное время. Но результаты исследования также предполагают, что если вам приходится работать поздно, возможно, будет лучше немного поспать и начать снова утром.
Это также позволяет нам лучше понять многие симптомы психиатрических и нейродегенеративных состояний, а также то, почему утром после ночи без сна нам так трудно концентрировать внимание, в то время как в вечернее время это не создает никаких проблем.
