Почему мы видим сны? Новая теория о том, как сновидение защищает наш мозг

Дэвид Иглман, Дон Вонг

Дэвид Иглман - нейробиолог из Стэнфордского университета. Его последняя книга - Livewired : The Inside Story of the Ever-Changing Brain.

Дон Вонг - нейробиолог из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.

david Eagleman, Don Vaughn. Why Do We Dream? A New Theory on How It Protects Our Brains. Time. 29.12.2020

Перевод на скорую руку Гамзин Юрий

Когда Бену было два года, он перестал видеть левым глазом. Мать отвела его к врачу и вскоре обнаружилось, что у него рак сетчатки обоих глаз. После того, как химиотерапия и лучевая терапия не дали результатов, хирурги удалили ему оба глаза. Бен перестал видеть навсегда.

Но к семи годам он изобрел метод расшифровки мира вокруг себя: он щелкал ртом и прислушивался к возвращающемуся эху. Этот метод позволил Бену определять расположение открытых дверных проемов, людей, припаркованных машин, мусорных баков и т.д. Он стал эхолотом: позволял отражаться звуковым волнам от объектов в окружающей среде и ловил отражения, чтобы построить мысленную модель окружающей обстановки.

Эхолокация может показаться невероятным подвигом для человека, но тысячи слепых людей усовершенствовали этот навык так же как и Бен. Об этом явлении писали по крайней мере с 1940-х годов, когда слово «эхолокация» впервые появилось в научной статье под названием «Эхолокация слепыми, летучими мышами и радарами».

Как слепота могла вызвать потрясающую способность понимать окружающее с помощью слуха? Ответ кроется в способности, дарованной мозгу в результате эволюции: невероятной приспособляемости.

Когда мы узнаем что-то новое, приобретаем новый навык или изменяем свои привычки, физическая структура нашего мозга меняется. Нейроны, клетки, отвечающие за быструю обработку информации в головном мозге, связаны между собой тысячами синапсов, но как и в отношениях между людьми, связи между нейронами постоянно меняются: укрепляются, ослабевают и находят новых партнеров. В области нейробиологии это явление называется «пластичностью мозга», (способность мозга, подобно пластику, принимать новые формы и удерживать их). Однако более поздние открытия в нейробиологии показывают, что пластичность мозга имеет много нюансов. Чтобы охарактеризовать это, мы называем пластичность мозга «живой проводкой» (livewiring), чтобы показать, как эта огромная система из 86 миллиардов нейронов и 0,2 квадриллиона соединений перестраивается в каждый момент вашей жизни.

Раньше нейробиологи считали, что разные части мозга предназначены для выполнения определенных функций. Но более недавние открытия перевернули старую парадигму. Первоначально одна область мозга может быть связана с конкретной задачей; например, задняя часть нашего мозга называется «зрительной корой», потому что обычно она управляет зрением. Но она может быть приспособлена и для другой задачи. В нейронах зрительной коры нет ничего особенного: это просто нейроны, которые участвуют в обработке форм или цветов у людей с функционирующими глазами. Но у слепых те же нейроны могут перестраиваться для обработки других типов информации.

Мать-природа наделила наш мозг гибкостью, позволяющей адаптироваться к разным обстоятельствам. Как острые зубы и быстрые ноги полезны для выживания, так и способность мозга к изменению конфигурации посредством «живой проводки» способствует обучению, запоминанию и развитию новых навыков.

В случае Бена живая проводка его мозга перепрофилировала его зрительную кору для обработки звука. В результате у Бена было больше нейронов для обработки слуховой информации, и эта увеличенная вычислительная мощность позволила Бену интерпретировать звуковые сигналы с шокирующей детализацией. Суперслух Бена демонстрирует более общее правило: чем больше область мозга, связанная с тем или иным чувством, тем лучше оно работает.

Последние десятилетия принесли несколько открытий о формировании связей нейронов в мозге, но, пожалуй, самым большим сюрпризом было открытие о скорости формирования таких связей. Схемы мозга преобразуются не только у слепых, но и у зрячих с временной депривацией зрения. В одном исследовании зрячие участники интенсивно учились читать шрифт Брайля. Половине участников на протяжении всего опыта завязывали глаза. В конце пяти дней участники, которые носили повязки на глазах, могли различать тонкие нюансы деталей символов Брайля намного лучше, чем участники, которые не носили повязки. Еще более примечательно то, что участники с завязанными глазами продемонстрировали активацию зрительных областей мозга в ответ на прикосновение и звук. Когда активность зрительной коры была временно нарушена, преимущество в чтении шрифта Брайля участников с завязанными глазами исчезло. Другими словами, участники с завязанными глазами лучше справились с задачей, связанной с прикосновением, потому что их зрительная кора была задействована для обработки информации, связанной с прикосновением. После того, как повязка была снята, зрительная кора вернулась к норме в течение дня, больше не реагируя на прикосновения и звуки.

Но таким изменения не нужно много времени (например, пять дней, как было в указанном исследовании) Когда измерения у участников с завязанными глазами проводились постоянно, сенсорная активность проявлялась в зрительной коре уже примерно через час.

Какое отношение имеют пластичность мозга и быстрый кортикальный контроль к сновидениям? Возможно, большее, чем предполагалось ранее. Бен явно выиграл от перераспределения функции его зрительной коры на другие органы чувств, потому что он навсегда потерял зрение, но как насчет участников экспериментов с завязанными глазами? Если потеря чувства носит временный характер, то быстрое завоевание областей мозга новыми задачами может оказаться не столь полезным.

Мы предполагаем, что именно с этим связаны сновидения.

В непрекращающейся конкуренции за области мозга зрительная система сталкивается с уникальной проблемой: из-за вращения нашей планеты (смены дня и ночи) все животные погружаются во тьму в среднем на 12 из каждых 24 часов. (Конечно, в нашем новом тотально электрифицированном мире все чуть-чуть по-другому). Наши предки фактически были невольными участниками эксперимента с завязанными глазами каждую ночь в своей жизни.

Так как же зрительная кора головного мозга наших предков защищала свою область мозга при отсутствии информации, поступающей от органа зрения?

Мы предполагаем, что мозг сохраняет область зрительной коры, поддерживая ее активность в ночное время. Согласно нашей «теории защитной активации» сновидение во сне существует для того, чтобы поддерживать активность нейронов зрительной коры головного мозга, тем самым борясь с захватом областей мозга со стороны соседних органов чувств. С этой точки зрения сновидения в первую очередь визуальны именно потому, что это единственное чувство, которое пропадает в темноте. Таким образом, уязвима только зрительная кора головного мозга, поэтому внутренне генерируемая активность сохраняет свою специфическую область в мозге.

У людей процесс сна прерывается фазой с быстрым движением глаз (REM) каждые 90 минут. Именно в это время происходит большая часть сновидений. (Хотя некоторые сновидения могут происходить во время медленного сна, такие сны абстрактны и не обладают визуальной яркостью, как сны в фазе REM).

Быстрая фаза сна запускается специальным набором нейронов, которые перенаправляют активность мозга прямо в зрительную кору, заставляя нас «видеть», даже если наши глаза закрыты. Эта активность зрительной коры, по-видимому, является причиной того, что сны бывают образными и кинематографическими. (Схема активации сновидений также парализует ваши мышцы во время быстрой фазы сна, так что ваш мозг может имитировать визуальный опыт, не приводя к движениям тела). Анатомическая точность этих схем предполагает, что сновидения во сне имеет биологическое значение.

Теория защитной активации дает возможность делать некоторые ясные прогнозы относительно сновидений. Например, поскольку пластичность мозга снижается с возрастом, доля сна, протекающего в REM, также должна уменьшаться на протяжении всей жизни. Именно это и происходит: у людей REM составляет половину времени сна младенца, но этот процент неуклонно снижается примерно до 18% у пожилых людей. Похоже, что быстрый сон становится менее необходимым, поскольку мозг становится менее пластичным с возрастом.

Конечно, этого факта недостаточно для доказательства теории защитной активации. Чтобы проверить это на более глубоком уровне, мы расширили наше исследование, подключив к нему не только людей, но и животных . Теория защитной активации дает точный прогноз: чем более гибким является мозг животного, тем больше у него должна быть фаза быстрого сна для защиты своей зрительной системы в темное время суток. С этой целью мы исследовали, насколько мозг 25 видов приматов сформирован (или не сформирован, т.е. более пластичен) при рождении. Как мы можем это измерить? Мы изучили время, необходимое для развития животных каждого вида. Сколько времени им нужно, чтобы стать самостоятельными (не пользоваться помощью родителей)? Как быстро они учатся ходить, защищаться и т.д.? Чем быстрее развивается животное, тем более запрограммирован (то есть менее пластичен) мозг.

Как и предполагалось, мы обнаружили, что виды с более пластичным мозгом каждую ночь проводят больше времени в фазе быстрого сна. Хотя сначала может показаться, что эти два показателя - гибкость мозга и быстрый сон - не связаны, на самом деле взаимосвязь есть.

Кстати, два из рассмотренных нами видов приматов вели ночной образ жизни. Но это не меняет сути гипотезы: всякий раз, когда животное спит, будь то ночью или днем, зрительная кора находится под угрозой захвата другими чувствами. Ночные приматы, обладающие сильным ночным зрением, используют свое зрение всю ночь, когда ищут пищу и избегают хищников. Когда они впоследствии спят в течение дня, их закрытые глаза не допускают визуального ввода информации, и поэтому их зрительная кора требует защиты.

Схема сновидений настолько фундаментально важна, что встречается даже у слепорожденных. Однако те, кто родился слепым (или кто ослеп в раннем возрасте), не имеют визуальных образов во сне; вместо этого у них есть другие сенсорные ощущения, такие как прикосновения и звуки. Это происходит потому, что другие чувства захватили область их зрительной коры. Другими словами, как слепые, так и зрячие люди во время сна испытывают активность в одной и той же области мозга; они различаются только характером информации (от разных органов чувств), которая там обрабатывается. Интересно, что люди, ослепшие после семи лет, имеют больше визуального содержания в своих сновидениях, чем те, кто ослеп в более молодом возрасте. Это также согласуется с теорией защитной активации: мозг становится менее гибким с возрастом, поэтому, если человек теряет зрение в более старшем возрасте, невизуальные чувства не могут полностью покорить зрительную кору.

Если сновидения представляют собой зрительные галлюцинации, вызванные отсутствием ввода визуальной информации, мы могли бы ожидать найти аналогичные зрительные галлюцинации у людей, которые постепенно лишаются визуального ввода во время бодрствования. Фактически, это именно то, что происходит с людьми с дегенерацией глаз, пациентами, помещенными в камеры сенсорной депривации и заключенными в одиночных камерах. Во всех этих случаях люди видят то, чего нет.

Мы разработали нашу теорию защитной активации для объяснения сновидений как зрительных галлюцинаций в течение длительных периодов пребывания в темноте, но она может отражать и более общий принцип: в мозге сформировались определенные схемы, генерирующие активность, которая компенсирует периоды сенсорной депривации. Это может происходить в нескольких сценариях: когда депривация является регулярной и предсказуемой (например, сновидения во время сна), когда имеется повреждение пути сенсорного ввода (например, шум в ушах или синдром фантомных конечностей), и когда депривация непредсказуема (например, галлюцинации в камерах сенсорной депривацией). В этом смысле галлюцинации во время депривации на самом деле могут быть особенностью нервной системы, а не ошибкой.

Сейчас мы проводим систематическое сравнение сна у различных видов животных. Пока что доказательства обнадеживают. Некоторые млекопитающие рождаются незрелыми, неспособными регулировать собственную температуру, добывать пищу или защищаться (например, котята, щенки и хорьки). Другие рождаются зрелыми, выходят из утробы с зубами, мехом, открытыми глазами и способностью регулировать температуру, могут уже ходить в течение часа после рождения и есть твердую пищу (например, морские свинки, овцы и жирафы). Недостаточно зрелые животные имеют фазу быстрого сна в 8 раз продолжительнее, чем у родившихся зрелыми. Почему? Потому что, когда мозг новорожденного очень пластичный, нервной системе требуется больше усилий для защиты зрительной системы мозга во время сна.

С самого начала истории сны вызывали удивление у философов, священников и поэтов. Что означают наши сновидения? Предвещают ли они будущее? В последние десятилетия сны привлекли внимание нейробиологов и были одной из главных нерешенных загадок в этой области. Есть ли у них практическая и функциональная цель? Мы предполагаем, что сновидения существуют, по крайней мере, в некоторой степени, для предотвращения того, чтобы другие чувства захватили зрительную кору головного мозга, когда она не используется. Сновидение - это противовес излишней пластичности мозга. Таким образом, хотя сны долгое время были предметом песен и рассказов, их можно лучше понять как странное дитя любви между пластичностью мозга и вращением нашей планеты.