Исследование предоставило первые прямые доказательства, объясняющие, почему люди спят

Ученые объединили физику и биологию в исследовании, которое предоставило первые прямые доказательства, объясняющие, почему мы спим. Рассматривая мозг как биологический компьютер, ресурсы которого истощаются во время бодрствования, они продемонстрировали, что сон перезагружает «операционную систему» ​​мозга, возвращая ее в идеальное состояние для оптимизации мышления и обработки информации.

Этот вопрос уже много лет беспокоит ученых и исследователей: почему мы спим? Что дает нам удовлетворение этой фундаментальной потребности? Если вы загуглите «почему мы спим», вы получите разные ответы из разных источников.

Некоторые говорят, что сон выводит токсины из мозга, другие, что он помогает организму восстанавливаться и наполняться энергией или что сон имеет решающее значение для формирования долговременных воспоминаний.

Теперь исследование исследователей из университета в Сент-Луисе предоставило первые прямые доказательства, которые могут ответить на этот вопрос.

«Мозг подобен биологическому компьютеру», — сказал Кит Хенген, автор исследования. «Память и опыт во время пробуждения постепенно меняют код, медленно уводя большую систему от идеального состояния. Основная цель сна — восстановить оптимальное вычислительное состояние».

Сравнение мозга со сложным компьютером не является слишком уж преувеличением. Оба используют электрические сигналы для передачи информации, долговременная память подобна жесткому диску для хранения и извлечения информации, а наши нейроны подобны схемам.

Использование компьютера означает запуск в фоновом режиме множества процессов, монополизирующих ресурсы, которые со временем могут привести к его замедлению. Применяя «гипотезу критичности», ученые в текущем исследовании предположили, что мозг действует аналогичным образом.

В области физики критичность описывает сложную систему, существующую на грани между порядком и хаосом. Физики впервые разработали концепцию критичности в конце 1980-х годов, используя простой набор правил, позволяющих сбрасывать тысячи песчинок на шахматную сетку. Кучи песка в конечном итоге достигают точки, когда большие и малые лавины начинаются без предупреждения, причем кучки песка в одном квадрате скатываются в другие.

«Вся система организуется в нечто чрезвычайно сложное», — сказал Ральф Вессель, один из соавторов исследования.

Применяя гипотезу критичности к мозгу, исследователи сравнивают каждый нейрон с отдельными песчинками, следуя очень простым правилам.

Нейронные лавины похожи на песчаные лавины, созданные физиками, причем каскады являются отличительной чертой системы, достигшей своего наиболее сложного состояния. Если нейроны достигают золотой середины между слишком большим порядком и слишком большим хаосом, они достигают критичности, и именно там обработка информации мозгом максимальна.

Теория критичности — это то, что Хенген и Вессель исследовали в 2019 году, продемонстрировав, что мозг активно работает над поддержанием критичности. В текущем исследовании они и их коллеги попытались понять функцию сна с точки зрения критичности. Они измерили электрофизиологические реакции отдельных нейронов зрительной коры молодых крыс, когда они свободно выполняли свои обычные циклы сна/бодрствования.

«Вы можете следить за этими небольшими каскадами активности через нейронную сеть», — сказал Кит Хенген. «В критическом состоянии могут возникнуть лавины любого размера и продолжительности. Вдали от критичности система начинает склоняться только к небольшим лавинам или только к большим лавинам. Это аналогично написанию книги, когда вы можете использовать только короткие или длинные слова».

Исследователи наблюдали лавины всех размеров у крыс, которые только что проснулись от восстановительного сна. В периоды бодрствования каскады смещались в сторону меньших и меньших размеров. Исследователи обнаружили, что могут предсказать, когда крысы собираются заснуть или проснуться, отслеживая распределение нейронных лавин. Сон был близок, когда размеры каскада сократились до определенной точки.

«Результаты показывают, что каждый момент бодрствования отталкивает соответствующие цепи мозга от критичности, а сон помогает мозгу перезагрузиться», — сказал Кит Хенген.

В целом, ученые говорят, что данные подтверждают модель, согласно которой функции сна направлены на восстановление критичности, которая постепенно снижается во время бодрствования. Наблюдения согласовываются с их гипотезой о том, что поддержание критичности является основной регенеративной функцией сна.

Исследование было опубликовано в журнале Nature Neuroscience.