Миллисекунды во сне и наяву

Нейроны в спящем мозге обмениваются сверхбыстрыми сигналами, одновременно объединяясь с другими нейронами в общей медленный ритм.

Во сне мозг работает иначе, чем во время бодрствования, и эти отличия можно увидеть с помощью магнитно-резонансной томографии или, например, электроэнцефалографии – ЭЭГ. При ЭЭГ наблюдают за волнами электрической активности, причём волны описывают весь мозг в целом. Волны отличаются по амплитуде, по скорости колебаний, и по свойствам волн узнают разные фазы сна – медленноволновую фазу (медленный сон) и быстроволновую фазы (быстрый сон).

Но обычная ЭЭГ показывает волновую активность на достаточно больших промежутках времени, порядка несколько десятков секунд. Это действительно большая длительность, если мы говорим о нейронах, которые могут чрезвычайно быстро менять характеристики собственных импульсов. Кроме того, как мы только что сказали, волны ЭЭГ показывают, что происходит с мозгом в целом. Однако у ЭЭГ есть экспериментально-лабораторные варианты, позволяющие записывать волны электрической активности с определённого участка мозга, правда, тут нужно вводить электроды прямо в этот участок. Более того, с таким вариантом ЭЭГ можно увидеть, как меняется активность небольшой группы нейронов в течение секунд, миллисекунд и даже микросекунд. Именно такие эксперименты ставили сотрудники Калифорнийского университета в Санта-Крузе и Вашингтонского университета в Сент-Луисе: мышам делали операцию на мозге, вводя электроды для ЭЭГ в десять разных зон мозга. К электродам прилагалось устройство для передачи данных о работе нейронов, с кабелем, который шёл к приёмнику за пределами мышиной клетки, но в целом вся конструкция была довольно лёгкой, и мыши с ней достаточно свободно перемещались.

Эксперимент длился месяц, и за это время исследователи получили петабайты данных, в которых невозможно было бы разобраться, если бы не помощь искусственного интеллекта. Нейросеть научилась отличать сон от бодрствования по нейронной активности. Но тут оказалось, что для распознавания сна нейросети достаточно миллисекундной записи. То есть характерные медленные волны сна ей как бы и не нужны (поскольку сон начинается с медленной фазы, и поскольку в ней спящий мозг проводит больше времени, то в данном случае медленноволновая фаза как бы приравнивается ко всему сну вообще). Тогда исследователи начали изучать уже саму нейросеть, чтобы понять, что именно она нашла в нейронной активности, что позволяет ей так быстро отличить сон от не-сна. В итоге удалось найти специфический и очень быстрый обмен сигналами между несколькими нейронами. Это были явно не «сонные» медленные волны, но такой быстрый обмен импульсами между нейронами явно был нужен для того, чтобы случились настоящие «сонные» волны. Авторы работы полагают, что давно всем знакомые медленные ритмы, охватывающие спящий мозг целиком, нужны для того, чтобы скоординировать локальные быстрые вспышки активности, а эти быстрые вспышки, в свою очередь, говорят о том, что группа нейронов поддерживает спящий режим. Вполне возможно, что быстрые локальные электрические колебания представляют собой более существенную особенность сна, нежели медленные волны, однако медленные волны проще наблюдать.

Кроме того, как говорится в статье в Nature Neuroscience, у спящих мышей некоторые зоны мозга на короткое время просыпались, в то время как все остальные продолжали спать, и наоборот – у бодрствующих мышей тот или иной участок мозга на короткое время погружался в сон. «Короткое время» здесь значит «меньше секунды», и эти мгновенные пробуждения и погружения в сон опять же удалось заметить благодаря изощрённому ЭЭГ и нейросети, которая анализировала ЭЭГ-данные. Мгновенные переключения были между разными фазами сна, быстрой и медленной, и между каждой из них и бодрствующим состоянием. Мы как-то писали про однополушарный сон у некоторых животных и даже у людей, но здесь речь идёт о совсем небольших участках мозга, в которых активность вдруг меняется на противоположную: пока остальной мозг спит, какой-то его участок на доли секунды просыпается; пока весь мозг бодрствует, какой-то его участок вдруг засыпает. Причём кратковременному засыпанию соответствовало поведение мышей: мышь на мгновение как бы отвлекалась, становилась рассеянной, выпадала из реальности.

Есть большое искушение приписать и наши, человеческие приступы рассеянности тому, что какая-то зона мозга (или сразу несколько зон) на короткое время уснули, но человеческое внимание – всё-таки слишком сложная вещь, чтобы отдавать тут предпочтение только какой-то одной причине. Может быть, даже в случае мышей было бы преждевременным говорить о то, что они «засыпают» и «просыпаются». Главный смысл новых результатов в том, что сон можно описывать на разных уровнях. И если на уровне мозга в целом мы видим пресловутые медленные волны (которые, впрочем, тоже меняются во время сна), то на уровне нейронных групп, больших и малых, могут происходить разные неизвестные феномены, без которых сон невозможен, но которые ещё предстоит изучить.