Сон: навіщо він потрібен і як влаштований

Сон (sleep) — це природний стан, який повторюється щодоби: людина нерухома, майже не реагує на те, що діється довкола, але її легко розбудити. Цим сон відрізняється від наркозу чи коми. Уві сні ми проводимо близько третини життя, і сплять усі тварини, яких дослідники уважно вивчали, — від плодових мушок до людей.

Уявімо людину, яка лягла опівночі й прокинулася о сьомій з відчуттям, що просто «вимкнулася» на сім годин. Насправді за цей час її мозок чотири-п'ять разів пройшов те саме коло: від дрімоти до глибокого сну, а потім до швидкого сну, під час якого мозок працює майже так само жваво, як удень. Кілька разів вона ненадовго прокидалася і вранці про це не пам'ятає.

Ця стаття — про те, як сон улаштований і що наука знає про його призначення. Порад щодо лікування в ній немає: розлади сну — справа лікаря.

Що таке сон з погляду фізіології

До середини XX століття сон вважали простим спокоєм: мозок нібито стишується, як двигун на холостому ходу. Сьогодні його описують як активний процес із власною будовою. Її бачать під час дослідження, яке називають полісомнографією: датчики всю ніч записують електричну активність мозку (електроенцефалограму, ЕЕГ), рухи очей і напругу м'язів.

За цими записами сон поділяють на два види. Повільний сон (non-REM, NREM) має три стадії — від дрімоти до глибокого сну. Швидкий сон (REM, від rapid eye movement — «швидкі рухи очей») названо так через те, що очі під заплющеними повіками раз у раз смикаються. Запитання «які бувають фази сну» має, отже, коротку відповідь: дві фази, повільна і швидка, а в повільній — три стадії.

Як відкрили швидкий сон

Першим ученим, який присвятив сну все наукове життя, був фізіолог Натаніель Клейтман (Nathaniel Kleitman). Він народився 1895 року в Кишиневі, 1915 року приїхав до США, а з 1925-го працював у Чиказькому університеті, де облаштував першу у світі лабораторію сну. Клейтман ставив досліди й на собі: одного разу не спав 180 годин поспіль, а іншим разом прожив із помічником понад місяць у Мамонтовій печері в Кентуккі, без сонячного світла і звичного розпорядку. Його книжка «Сон і неспання» (Sleep and Wakefulness, 1939) стала першим великим підручником у цій галузі. Про це розповідає некролог у виданні Чиказького університету: Клейтман помер 1999 року у віці 104 років.

На початку 1950-х у лабораторії Клейтмана працював аспірант Юджин Азерінський (Eugene Aserinsky). Він записував рухи очей у сплячих — за його власними словами, перший натяк на відкриття з'явився, коли піддослідним був його малий син Армонд. Виявилося, що кілька разів за ніч очі сплячої людини починають швидко рухатися, а запис активності мозку в ці хвилини нагадує неспання. Частішають і стають нерівними дихання та серцебиття.

4 вересня 1953 року Азерінський і Клейтман надрукували в журналі Science статтю, яка займала неповні дві сторінки. У дослідах узяло участь двадцять дорослих. Частину з них будили й розпитували. За переказом статті, після 27 пробуджень під час швидких рухів очей люди 20 разів докладно описали сновидіння; після 23 пробуджень у спокійні періоди сну 19 разів не згадали нічого.

З цієї короткої статті зазвичай починають відлік сучасної науки про сон. Вона показала, що сон буває щонайменше двох видів і що мозок уночі не відпочиває в бездіяльності. Азерінський невдовзі пішов з університету, а Клейтман продовжив роботу з новим учнем, Вільямом Дементом (William Dement). У 1950-х вони навчилися записувати сон цілу ніч і описали, як його стадії змінюють одна одну.

Стадії сну і цикли за ніч

Сучасний поділ на стадії, як його подає Національний інститут серця, легень і крові США, такий.

• N1 — дрімота. Короткий перехід від неспання до сну.
• N2 — неглибокий сон. На нього припадає майже половина ночі дорослого. На ЕЕГ з'являються короткі спалахи швидких хвиль — сонні веретена (sleep spindles).
• N3 — глибокий, або повільнохвильовий, сон. На записі переважають повільні високі хвилі. Найбільше глибокого сну — на початку ночі.
• Швидкий сон (REM). Активність мозку схожа на денну, очі рухаються, а м'язи тіла розслаблені настільки, що людина не може «розіграти» свій сон. Швидкого сну найбільше під ранок; у дорослого він займає близько п'ятої частини ночі.

Стадії йдуть одна за одною і складаються в цикл, який триває 80–100 хвилин. За ніч таких циклів буває від чотирьох до шести. Вони не однакові: у перших багато глибокого сну, в останніх — швидкого. Між циклами людина може ненадовго прокидатися, і це нормально. Графік, на якому видно чергування стадій протягом ночі, називають гіпнограмою.

З віком будова сну змінюється. Новонароджені проводять у швидкому сні більше часу, ніж дорослі. Глибокого сну найбільше в ранньому дитинстві, у підлітковому віці його різко меншає, а в декого з літніх людей він зникає зовсім.

Що вирішує, коли нам спати: двопроцесна модель

1982 року дослідник сну Александер Борбелі (Alexander Borbély) запропонував модель, якою користуються досі. За нею час і глибину сну визначають два процеси.

Тиск сну (процес S, від sleep). Що довше людина не спить, то сильніша потреба у сні; уві сні вона поступово спадає. Мірилом цього тиску вважають повільні хвилі глибокого сну: після безсонної ночі їх більше, після денного сну — менше.

Добовий, або циркадний, ритм (процес C, від circadian). Його задає внутрішній годинник, що йде незалежно від того, скільки людина спала. Він підтримує неспання вдень і сон уночі.

За кожним процесом стоять свої речовини. З тиском сну пов'язують аденозин: поки ми не спимо, його рівень у мозку росте. 1997 року це показали на котах: у ділянці переднього мозку аденозину ставало дедалі більше, поки тварині не давали спати, а під час сну його рівень повільно спадав. Кофеїн бадьорить тому, що блокує дію аденозину.

Головний добовий годинник міститься в супрахіазматичному ядрі — невеликій ділянці мозку. Він звіряється зі світлом, сигнал про яке надходить від очей. Від чергування світла й темряви залежить і вироблення мелатоніну: за описом того самого інституту, рівень цього гормону в крові починає рости ввечері й сягає вершини під ранок, а яскраве світло пізно ввечері його пригнічує. Мозок виробляє мелатонін у відповідь на темряву, і той допомагає узгоджувати добовий ритм і сон.

2016 року Борбелі з колегами переглянув свою модель і визнав, що два процеси не цілком незалежні й постійно впливають один на одного. Проте загальну схему — потреба у сні плюс внутрішній годинник — приймає більшість дослідників.

Навіщо потрібен сон

На це запитання наука досі не має єдиної відповіді. Сон робить тварину беззахисною на багато годин, тож користь від нього мусить бути великою. Найвідоміших пояснень три, і вони не заперечують одне одного.

Закріплення пам'яті

Ще Герман Еббінгауз (Hermann Ebbinghaus) 1885 року помітив, що після сну вивчене забувається повільніше. У класичному досліді Дженкінса й Далленбаха (J. G. Jenkins, K. M. Dallenbach) 1924 року двоє учасників майже два місяці жили в лабораторії та заучували безглузді склади; після однієї, двох, чотирьох чи восьми годин сну вони пам'ятали більше, ніж після стількох самих годин неспання.

Як це відбувається, описує гіпотеза активної системної консолідації, викладена у великому огляді Бйорна Раша і Яна Борна (Björn Rasch, Jan Born) 2013 року. Нові спогади спершу тримаються на гіпокампі — структурі, без якої людина не може запам'ятовувати нове, як показав випадок пацієнта Г. М. Під час глибокого сну мозок знову «програє» денні записи, і вони поступово переходять у кору півкуль на тривале зберігання. У щурів таке повторення побачили прямо 1994 року: нейрони гіпокампа, що працювали разом, коли тварина бігла доріжкою по корм, так само разом спрацьовували й під час її сну. Автори огляду застерігають, що сон допомагає не всім спогадам однаково і як мозок вибирає, що зберегти, ще не з'ясовано.

«Прибирання» мозку

2013 року лабораторія Майкен Недерґор (Maiken Nedergaard) з Рочестерського університету надрукувала статтю в Science, перша авторка якої — Лулу Сє (Lulu Xie). У мишей, які спали або були під наркозом, простір між клітинами мозку розширювався на 60 відсотків, і рідина, що омиває мозок, вільніше протікала крізь тканину. Бета-амілоїд — білок, який накопичується при хворобі Альцгеймера, — у сплячих мишей виводився вдвічі швидше, ніж у тих, що не спали. Цю систему промивання назвали глімфатичною, а ідея «сон вимиває з мозку токсини» швидко потрапила в пресу.

Через одинадцять років її поставили під сумнів. Група Ніка Френкса (Nick Franks) з Імперського коледжу Лондона ввела барвник просто в тканину мозку мишей і повідомила в Nature Neuroscience, що під час сну й наркозу мозок очищається не швидше, а повільніше. Недерґор назвала цю роботу оманливою: на її думку, уколи пошкоджують тканину, а вимірювання всередині мозку не показують, що речовину з нього справді виведено. Суперечка триває, і майже всі дані в ній отримано на мишах. Тож «нічне прибирання» — поки що гіпотеза, а не встановлений факт.

Синаптичний гомеостаз

Джуліо Тононі й К'яра Чиреллі (Giulio Tononi, Chiara Cirelli) з Університету Вісконсину 2003 року висунули третю ідею. Коли ми вчимося, зв'язки між нейронами — синапси — міцнішають. Нескінченно так тривати не може: сильні синапси потребують більше енергії, а нові враження дедалі гірше вирізняються на тлі старих. Уві сні, коли мозок від'єднаний від зовнішнього світу, сила синапсів загалом знижується, і лишаються найважливіші зв'язки. За словами авторів, сон — це «ціна, яку ми платимо за пластичність», тобто за здатність мозку змінюватися.

2017 року вони виміряли під електронним мікроскопом 6920 синапсів у корі мишей: після сну поверхня контакту між нейронами була в середньому на 18 відсотків менша, ніж після неспання, причому найбільші синапси не змінювалися. Це вагомий аргумент, але дослідники сперечаються, чи слабшають синапси вві сні завжди, і сама гіпотеза лишається гіпотезою.

Що буває без сну

Наприкінці грудня 1963 року сімнадцятирічний школяр із Сан-Дієго Ренді Ґарднер (Randy Gardner) заради шкільного наукового проєкту перестав спати і 8 січня 1964 року зупинився на 264 годинах — одинадцяти добах. В останні дні за ним спостерігав Вільям Демент. Ґарднер обходився без стимуляторів, а після рекорду проспав 14 годин і невдовзі повернувся до школи. Проте протягом досліду лікарі відзначали в нього розлади уваги, пам'яті й сприймання, а Книга рекордів Гіннеса згодом перестала реєструвати такі спроби як небезпечні. Цьому випадкові буде присвячено окрему статтю.

Для повсякденного життя важить не рекорд, а звичайний недосип. 2003 року Ганс Ван Донген (Hans Van Dongen) з колегами поселив у лабораторії 48 здорових дорослих віком 21–38 років. Одні два тижні проводили в ліжку по вісім годин на добу, інші — по шість, треті — по чотири; ще одна група не спала три ночі поспіль. У тих, хто спав по шість і по чотири години, результати тестів на увагу й мислення гіршали з кожним днем — то більше, що коротший був сон. Наприкінці вони опускалися до рівня людей, які не спали зовсім одну-дві ночі.

Найважливіше в цьому досліді інше. Учасники оцінювали, наскільки їм хочеться спати, і ці оцінки після перших днів майже не росли. Люди працювали дедалі гірше, а почувалися «нормально». Автори вважають, що саме тому хронічний недосип здається нешкідливим.

Скільки треба спати

2015 року з'явилися дві рекомендації, на які посилаються найчастіше. Американська академія медицини сну (AASM) і Товариство дослідження сну зібрали 15 фахівців, які за рік переглянули 5314 наукових статей. Їхній висновок: дорослим віком від 18 до 60 років варто регулярно спати сім годин або більше. Спати понад дев'ять годин може бути доречно молодим людям, хворим і тим, хто надолужує недосип.

Національна фундація сну США (National Sleep Foundation) того ж року скликала 18 експертів і назвала діапазони для кожного віку: від 14–17 годин для новонароджених до 7–9 для дорослих і 7–8 для людей, старших за 65 років.

«Вісім годин» — зручне спрощення. Жодна з рекомендацій не називає одного числа: це або нижня межа, або діапазон, усередині якого люди різняться через спадковість, спосіб життя і стан здоров'я. Фундація окремо зазначає, що тривалість сну поза межами діапазону теж може бути нормальною, хоча великі відхилення трапляються рідко. До того ж здоровий сон — це не лише тривалість, а й якість, слушний час і регулярність.

Сновидіння

Після відкриття Азерінського і Клейтмана рівняння «швидкий сон — це сновидіння» трималося десятиліттями. Воно виявилося надто простим. Якщо будити людей у різні стадії, про сновидіння розповідають і після повільного сну: за даними, які наводить дослідження 2017 року, такими звітами закінчується до 70 відсотків пробуджень. А після швидкого сну люди зрідка кажуть, що не бачили нічого. Ототожнювати швидкий сон зі сновидіннями дослідники тепер називають поширеною помилкою.

Навіщо мозкові сновидіння, достеменно не відомо; пояснень кілька, і про них на сайті буде окрема стаття.

Як зазвичай розуміють сон — і що тут не так

2019 року десятеро дослідників сну на чолі з Ребеккою Роббінс (Rebecca Robbins) розібрали поширені твердження про сон і оцінили, наскільки кожне хибне. Частина наведених нижче тверджень — із їхнього списку.

«Уночі мозок вимикається»

Це єдине твердження, яке всі десять експертів одностайно назвали цілком хибним. Активність мозку вві сні не зникає, а змінюється, і під час швидкого сну вона близька до денної.

«Можна відіспатися на вихідних»

Почасти. Після поодинокого недосипу довший сон справді допомагає. Але як тижневий розпорядок це працює погано. У досліді Університету Колорадо 2019 року одна група молодих здорових людей спала по п'ять годин у «робочі» дні, а у «вихідні» — скільки захоче. За вихідні учасники надолужили в сумі лише близько години сну, а коли недосип повернувся, чутливість до інсуліну в них знизилася на 9–27 відсотків і вага зросла — так само, як у групі без вихідних. Щоправда, самі експерти Роббінс не були одностайні, і це твердження до переліку міфів не потрапило: даних ще замало.

«Сон до півночі корисніший»

Стрілки годинника тут ні до чого. Глибокий сон зосереджений у перших циклах, хоч би коли людина заснула: він залежить від того, скільки часу вона перед тим не спала. Слушне зерно в приказці інше — важить, чи збігається сон із власним добовим ритмом. Люди, які працюють уночі й сплять удень, сплять менше й гірше.

«Людям похилого віку треба менше сну»

Вони справді сплять менше і частіше прокидаються. Великий метааналіз 2004 року — 65 досліджень, 3577 людей — показав, що з віком у дорослих коротшає сон і меншає глибокого сну. Але з того, що літні люди сплять менше, не випливає, що їм менше потрібно. Рекомендований діапазон для них — 7–8 годин, майже той самий, що для молодших.

«Дорослому досить п'яти годин»

Люди, які добре почуваються після короткого сну, існують, але їх дуже мало. А відчуття «я звик» ненадійне — це й показав дослід Ван Донгена.

«Уві сні можна вивчити іноземну мову»

Дещо сплячий мозок засвоїти може. 2012 року дослідники вмикали сплячим людям звуки разом із приємними або неприємними запахами. Згодом ті вдихали глибше чи слабше вже на самий звук — це класичне зумовлення, і вранці учасники про нього не пам'ятали. 2019 року інша група програвала сплячим пари з вигаданого й справжнього слова. Це позначилося на відповідях учасників у тесті після пробудження — але тільки для тих пар, де друге слово припало на вершину повільної хвилі глибокого сну. Від цього до вивчення мови дуже далеко, і самі автори називають докази навчання вві сні непевними. Надійно підтверджено інше: сон після навчання допомагає запам'ятати вивчене вдень.

Що з цього випливає на практиці

• Сон — це робота мозку, а не пауза. Він має будову, і короткі пробудження між циклами не свідчать про поганий сон.
• Недосип накопичується непомітно. Власне відчуття бадьорості після тижнів короткого сну — ненадійний показник.
• «Вісім годин» — орієнтир. Рекомендації для дорослих починаються від семи годин, і в цих межах люди різні.
• Час і регулярність теж важать. Тиск сну і внутрішній годинник працюють разом; найлегше спати тоді, коли вони збігаються.
• Про призначення сну наука ще сперечається. «Сон вимиває токсини» чи «уві сні мозок стирає зайве» — це гіпотези з різною вагою доказів.
• Тривалі труднощі зі сном — привід звернутися до лікаря. Якщо тижнями не вдається заснути, якщо вдень долає сонливість або близькі помічають гучне хропіння, причину має з'ясувати фахівець.