Мозг во сне. Что происходит с мозгом, пока мы спим - Андреа Рок

Научное предположение о том, что хороший сон улучшает человеческую способность к обучению, впервые появилось в докладе, опубликованном в 1924 году, но результаты экспериментов, проводившихся после того, как в 1950-х была открыта фаза REM, подвергли это предположение большим сомнениям. Экспериментаторы требовали, чтобы испытуемые учили разного рода факты, вроде запоминания пар слов, не имеющих между собой никакой явной связи, типа «корова — лестница». После чего мешали людям спать и проверяли, влияет ли отсутствие сна на результаты. Никакого влияния не было, и поэтому исследователи пришли к ошибочному выводу, что связи между сном и обучением тоже не существует.

Но потом ученые все-таки обнаружили, что различные стадии сна предназначены для различных типов обучения, — об этом мне рассказал Карлайл Смит, который еще в 1970-х начал изучать связь между обучением и сном. Карлайл Смит принадлежит к тому поколению американских исследователей сновидений, которые отправились во Францию работать в лаборатории пионера этой области науки Мишеля Жуве.

«Мы целый месяц выпиливали брусочки, из которых строили лабиринт для мышей, а потом в течение десяти дней круглосуточно записывали их мозговую деятельность. Те мыши, которые проявляли бо́льшую сообразительность в беге по лабиринту, демонстрировали и бо́льшую мозговую активность в фазе REM, — вспоминает Смит, ныне профессор психологии Университета Трент в канадском городе Питерборо. — Сам-то я никогда не сомневался в том, что сон и обучение связаны между собой, но теперь накопилось достаточно данных, чтобы этим вопросом заинтересовались и другие».

Постоянно накапливаемые данные исследований Смита и других помогли объяснить, как именно влияют на обучение сновидения и другие когнитивные процессы на разных стадиях сна. Вскоре после засыпания мы входим в стадию легкого сна, известную как стадия II, и, похоже, именно эта фаза ответственна за совершенствование новых навыков у музыкантов, спортсменов и танцоров, причем это наступает через день или два после первого знакомства и тренировки этого навыка.

В 2002 году ученый из Гарварда Мэтью Уокер провел исследование, в результате которого обнаружил, что 20 процентов улучшения моторных навыков усваиваются в том случае, если испытуемые входили в стадию II в последние два часа перед утренним пробуждением. «Чтобы получить максимальную пользу от тренировки или упражнений, когда вы осваиваете что-то новое в избранном виде спорта или в игре на музыкальном инструменте, вы должны хорошенько выспаться хотя бы в первую ночь после первоначального освоения этого нового навыка, чтобы не пропустить финальный период стадии II, наступающий незадолго до пробуждения», — считает Смит.

Вслед за стадией II наступает стадия глубокого медленного сна, предшествующая быстрому сну. Медленный сон занимает 80 процентов первой половины всего времени ночного отдыха. Во время второй половины ночного сна доля REM резко возрастает, чередуясь со стадией II.

Медленный сон важен для освоения задач, связанных с фактической памятью, например с зазубриванием дат для экзамена по истории. А вот насыщенный сновидениями быстрый сон, напротив, необходим для освоения того, что связано с процедурной памятью — с тем, каким образом что-то делается, в том числе и с освоением новых поведенческих стратегий. Исследования показали, что доля REM в первую ночь после тренировки таких задач возрастает, и если испытуемого в эту ночь намеренно лишить фазы REM, то на следующий день качество выполнения этих задач резко падает.

В 1994 году группа израильских ученых под руководством Ави Карни и Дова Саги провела ставшее широко известным исследование по выполнению задач, связанных с визуальным различением: испытуемые должны были определить форму заполненной полосами области, вспыхивающей на экране компьютера на определенном тестовом фоне. Они обнаружили, что скорость выполнения этой задачи по процедурному обучению возрастала не во время тренировки, но через восемь часов после ее завершения. Если при этом испытуемых будили во время фазы REM, у них не получалось освоить эту задачу, а вот если их будили во время медленного сна, выполнение ее никоим образом не ухудшалось.

После этого другие ученые не раз использовали эту израильскую методику и пришли к выводу, что для оптимального обучения необходима комбинация обоих типов сна, не только REM. Одно из исследований указывает на то, что выполнение новых задач в значительной мере улучшается, если мы получаем достаточную долю медленного сна в первую четверть ночи и достаточную долю сна быстрого — в последнюю четверть. Мэтью Уилсон обнаружил, что это же касается и крыс, и предположил, что во время медленного сна следы памяти удерживаются в гиппокампе для того, чтобы пройти необходимую обработку позднее, во время сна со сновидениями, в особенности во время фаз REM, наступающих во вторую половину ночи. Во время этих поздних стадий REM гиппокамп и соответствующие структуры лимбической системы, такие как миндалевидное тело (которое обрабатывает эмоциональную информацию), обмениваются данными с высокоуровневыми центрами в неокортексе, таким образом усиливая память и закрепляя усвоение.

Теория о том, что мозг во время фазы быстрого сна не только производит сновидения, но и осваивает новые знания, получила подтверждение и с помощью молекулярной биологии. В клетке содержится набор генов, каждый из которых выполняет в организме свои определенные функции. Когда гену надо выполнять предначертанную ему ДНК роль, он активируется, и теперь эту активность можно измерить.

Эта измеряемая активность называется генной экспрессией, проявлением гена. Исследование, проведенное в 2002 году, обнаружило, что специфический ген, который проявляется у крыс, когда они в период бодрствования чему-то учатся, снова и очень сильно проявляется во время поздних фаз REM, а это указывает на то, что изменения на молекулярном уровне, связанные с обучением, происходят как раз в фазе быстрого сна. А если гиппокамп ввести в состояние бездействия, например с помощью анестезии, в неокортексе не наблюдается и связанной с обучением генной экспрессии.

«Существует гипотеза о том, что следы памяти из гиппокампа переходят в неокортекс для длительного хранения, и наше исследование показывает, что это может происходить во время фазы быстрого сна. Особенно во время поздних фаз REM — именно тогда гиппокамп и беседует с неокортексом», — говорит Константин Павлидес, нейрофизиолог из Рокфеллеровского университета. Он один из авторов исследования и протеже Джонатана Уинсона, чьи теории о биологических функциях REM, высказанные еще в 1970-х годах, подкрепляются ныне данными молекулярной биологии.

Исследование, демонстрирующее, что процесс обучения наступает, когда мы отплываем в страну снов, придает новый смысл пословице «Утро вечера мудренее». «Я предполагаю, что, хотя поздние периоды REM особенно благоприятны, для обучения важен полный цикл сна», — считает Смит. Имеется смысл и в «тихом часе». В недавнем исследовании, проведенном в Гарварде группой Роберта Стикголда, испытуемых учили выполнять на компьютере определенную визуальную задачу, и их результаты к концу четвертого за день практического занятия из-за умственной усталости понижались. Но если они после завершения второго занятия полчаса дремали, результаты оставались на том же уровне, а если «тихий час» длился все шестьдесят минут, то на третьем и четвертом занятиях результаты становились выше.