Как записать картину сна?
Бодрствование — это активный процесс, поддерживаемый ретикулярной формацией. А сон? Выходит, сон пассивен? Выходит, это просто-напросто «не бодрствование», возникающее из-за снижения потока импульсов? Ничего подобного: сон не менее активен, чем бодрствование. Достаточно взглянуть на электроэнцефалограмму… Впрочем, об электроэнцефалографии тоже следует рассказать подробнее.
Первым, кто записал электрические потенциалы мозга, был мэр Ливерпуля лорд Ричард Катон. В 1875 году он обнаружил на скальпе у кроликов и обезьян разность потенциалов между двумя точками.
В середине двадцатых годов XX века к опытам приступил австрийский врач и ученый Ганс Бергер.
Приклеив к голове добровольцев металлические пластинки, он соединил их с гальванометром и увидел на шкале колеблющиеся потенциалы в несколько тысячных вольта. Дальше представьте себе ползущую бумажную ленту, на которой фотографируются положения зеркальца гальванометра и начерченные на бумаге кривые, отражающие измерения биопотенциалов во времени. Эти изменения стали называть волнами или ритмами.
Для подлинного расцвета электроэнцефалографии потребовалось еще лет десять, в течение которых были разработаны высокочувствительные усилители и сделана основательная классификация мозговых ритмов. В современных клиниках электроды прикладывают уже не к двум точкам головы, как это делал Бергер, а ко многим участкам, прибор же вычерчивает от четырех до шестнадцати кривых. Расцвету электроэнцефалографии сопутствовала бурная вспышка фантазии среди широкой публики. Только и было разговоров, что о чтении мыслей, закодированных в узоре электроэнцефалограммы. К счастью, о мыслях можно только догадываться: кривые отражают лишь среднее электрическое состояние сотен миллионов нейронов на каком-нибудь участке мозга. Но и это состояние способно рассказать о многом.
Вот перед нами альфа-ритм — ритм спокойного, расслабленного бодрствования с закрытыми глазами, когда мозг ничем не занят, а зрение отдыхает. Человек сосредоточился, и на месте альфа-ритма появился частый, стремительный бета-ритм. Есть свой рисунок у затруднения, беспокойства, ожидания, восторга — у всех эмоциональных состояний.
Бергер обнаружил, что ритмы бодрствования резко отличаются от ритмов сна; в последующих опытах канадского нейрофизиолога Джаспера и его английского коллеги Эдриана это подтвердилось. Эдриан предложил оценивать биопотенциалы мозга с точки зрения синхронизации и десинхронизации работы нейронов. Когда нейроны работают синхронно, то есть одновременно, на электроэнцефалограмме видны медленные высокоамплитудные волны, а когда вразнобой — быстрые низкоамплитудные. Картина синхронной работы как раз характерна для сна. Электроэнцефалограмма же, снятая во время напряженного бодрствования, выглядит почти плоской линией, иногда украшенной низковольтными колебаниями. Кажется, должно быть наоборот: чем интенсивнее деятельность, тем ярче ее электрический эквивалент. Так оно и бывает при записи биотоков со скелетной мышцы или сердца. А тут иначе: чем напряженнее работает мозг, тем более плоские и невыразительные линии выползают из-под самописцев прибора. В выпуклости и яркости ритмов отражается синхронность работы нейронов; их электрические сигналы, складываясь, рождают медленные ритмы. Работающим же вразнобой нейронам никак не сложить свои импульсы, и от этого линия на электроэнцефалограмме получается почти прямой, это как бы равнодействующая многих тысяч самостоятельных залпов.
Синхронизирующих механизмов, усиливающих свою деятельность, когда мы засыпаем, было найдено несколько — в области таламуса, в передней части гипоталамуса и перегородке, в нижней части ствола. Последний механизм был назван в честь своего открывателя аппаратом Моруцци.
Нейрофизиологи, экспериментируя над животными, начали снимать электроэнцефалограммы уже не со скальпа, а прямо с мозговых структур. Вот тут-то и обнаружилось, что представления о сне, как о пассивном процессе или как о торможении, лишены всякого основания. Это весьма активный процесс, целиком обязанный усиленной деятельности синхронизирующих систем. Кошкам вводили в мозг сразу несколько сот электродов. Во время бодрствования половина нейронов оказывалась у них в состоянии возбуждения, а половина была заторможена. Во время сна количественное соотношение не изменилось, изменилось лишь расположение возбужденных и заторможенных нейронов. Впоследствии же обнаружилось, что во сне многие нейроны даже усиливают свою спонтанную активность, а возбудимость нейронных систем в проекционных зонах коры возрастает. Словом, во сне мозг так же деятелен, как и в бодрствовании, только в эту деятельность часто вовлечены другие нейроны, и работают они в другом режиме.
В конце тридцатых годов английские нейрофизиологи Лумис, Хабарт и Дэвис предложили первую классификацию стадий сна, основанную на показаниях электроэнцефалографа. Получилось у них пять стадий — пять ступенек в глубину.
Во время стадии А на электроэнцефалограмме виден альфа-ритм (с частотой 9-12 герц). Постепенно он становится неравномерным, амплитуда его уменьшается, периодически он исчезает.
Наступает стадия В — дремота, или поверхностный сон. Электроэнцефалограмма представляет собой почти ровную линию, на фоне которой появляются волны более низкой, чем исчезнувший альфа-ритм, частоты, а именно тета– и бета-ритмы. Перед переходом к следующей стадии можно заметить так называемые вертекс-потенциалы — острые волны с большой амплитудой.
Стадия С — сон еще поверхностный, но уже настоящий. Появляются «сонные веретена» — группы волн с частотой 13-14 герц. Быстрые бета-ритмы пропадают; их место постепенно занимают низкоамплитудные колебания в дельта-диапазоне. В стадиях D и Е сначала на фоне сонных веретен, а потом уже и без них нарастает количество медленных дельта-волн с частотой 0,5-4 герца и относительно большой амплитудой.
Стадия D — сон средней глубины, стадия Е — самый глубокий сон.
Классификация Лумиса и его коллег продержалась без существенных изменений лет пятнадцать. Потом ее решили упростить. Стадию А объединили со стадией В, четыре получившиеся стадии перенумеровали римскими цифрами — от I до IV.
Иногда мы будем пользоваться этим упрощенным вариантом. Но чаще всего нам достаточно будет самого простого деления — на дремоту, стадию сонных веретен и дельта-сна.
Бодрствование — состояние тоже неоднородное и его можно разделить на стадии. Собственно, это было известно всегда, но находилось за пределами исследований и классификаций.
Электроэнцефалография позволила разделить бодрствование на три стадии, или ступени. Верхняя, которую можно назвать напряженным бодрствованием, соответствует периодам самой интенсивной умственной и физической деятельности. Средняя — это, так сказать, нормальное бодрствование; оно весьма далеко от сна, но уже не связано с привычной деятельностью и особыми эмоциями не окрашено. Наконец, нижняя ступень — бодрствование расслабленное; крайняя его степень — переход ко сну на фоне внутреннего созерцания: человек еще не спит, но уже отрешен от внешнего мира углублен в себя. Здесь, как и во сне, каждой ступени соответствует своя картина биоэлектрической активности мозга.
Все разложено по полочкам. Кажется, можно сесть и спокойно поразмыслить о сущности и назначении сна, об его взаимоотношениях с бодрствованием… Именно такое настроение и было у физиологов, занимавшихся этой проблемой в начале пятидесятых годов, как вдруг перед их взором возник нежданно-негаданно парадокс, смешавший им все карты.
Парадокс так и назвали — парадоксальный сон. Открыл его в 1952 году аспирант доктора Натаниэля Клейтмана, руководителя лаборатории сна в Чикагском университете. Звали аспиранта Юджин Азеринский.
Клейтман изучал связи между биологическими часами и температурой, давлением крови, сердечной деятельностью и обменом веществ. Подобно английским физиологам, проводившим лето на Шпицбергене, он тоже пробовал переставлять биологические часы и вместе со своим помощником спускался в подземные пещеры Кентукки, где всегда была постоянная температура, постоянный мрак и снаружи не доносилось никаких звуков. Клейтману удалось навязать своему организму непривычный ритм сна и бодрствования. После этого он начал изучать тот же ритм у маленьких детей и, непрерывно записывая у них биотоки, доказал, что грудные дети в возрасте нескольких недель бодрствуют не два часа в сутки, как думали прежде, а целых восемь часов.
Наблюдая за этими детьми, Азеринский сделал открытие. Он заметил, что во время сна у них периодически появляются быстрые движения глаз, сопровождающиеся на электроэнцефалограмме быстрыми низковольтными ритмами. Детям прикрепили к векам концы тончайших электродов и в течение многих месяцев регистрировали у них электрические импульсы глазных мышц. Так было положено начало полиграфическим исследованиям сна — записи биотоков мозга в сочетании с записью движений глаз (электроокулограмма), движений мышц (электромиограмма), сердечных ритмов (электрокардиограмма) и кожно-гальванических реакций.
