Константин Экономо представил эту идею на знаменитой лекции, которую прочел в 1933 г., незадолго до смерти. Он первым предположил возможность такой «дуэли» между зонами мозга, способствующими сну и пробуждению. А теперь давайте перенесемся на 80 лет вперед, почти в современность. Как выяснилось, Экономо попал в яблочко со своими наблюдениями. Мы теперь знаем, что сон и пробуждение регулируются хрупким балансом сил между двумя глубинными системами мозга.
Начнем с того, как мы пробуждаемся. Прежде чем мы проснемся, набор нейронов в глубине ствола мозга, называемый ретикулярной активирующей системой (РАС), наводняет таламус и новую кору нейровеществами, которые увеличивают скорость ответов большинства нейронов в новой коре. Можно представить это как маленькое собрание нейронов в стволе мозга, которые кричат «ПРОСНИСЬ!» остальному мозгу. Считается, что этот «включатель» РАС начинает, в частности, с того, что активирует небольшой набор нейронов в задней доле гипоталамуса, называемой туберомамиллярным ядром (ТМЯ). То есть похоже, что ТМЯ – это область, которую Экономо открыл в исследовании пациентов с летаргическим энцефалитом.
Затронув ТМЯ и несколько других ядер, сигналы от РАС начинают пробуждать мозг. В этом процессе сигналы проходят несколько «бутылочных горлышек» по пути к коре, что вызывает особенную проблему, если поврежден соответствующий миллиметр мозга. Например, если у вас окажется небольшое повреждение в этих «бутылочных горлышках» в таламусе, вам никогда до конца не проснуться, или по крайней мере часть вас никогда не проснется.
Видите ли, повреждение определенных зон таламуса (особенно центрального таламуса) приводит к тому, что вы теряете способность быстро отвечать на стимулы, которые возникают на противоположной части вашего тела. Например, если поврежден таламус слева, вам будет трудно отвечать на то, что происходит с правой стороны вашего тела. Вспышка справа в вашем зрительном поле? Вы даже не моргнете. Гниющая рука, хватающая вас за правую ногу? Никакой реакции.
Это отсутствие ответа связано с тем, что половина вашего мозга еще спит, так как не получает сигналов пробуждения от РАС, и вы не обращаете внимания на то, что происходит с другой стороны вашего мозга.
А «выключатель», который позволяет вам засыпать, запускается набором нейронов, выключающих РАС. Набор нейронов, который находится в гипоталамусе, называется вентролатеральным преоптическим ядром (ВЛПО), оно запускает каскад сна. Эти нейроны посылают химические вещества, подавляющие нервную активность зон возбуждения РАС в стволе мозга. Эти возбуждающие нейроны быстро выключаются (технически они просто стреляют с меньшей скоростью, но для простоты можно считать, что они выключаются), что замедляет активность новой коры, парализует сигналы, которые происходят в мышцах, чтобы сократить движения, и удерживает вас в состоянии ступора, пока сигналы от ВЛПО не прекращаются.
Вот так: взаимодействие двух систем. Одна система, чуть впереди, вас усыпляет. Другая система, сразу за ней, запускает каскад, чтобы вас разбудить.
Другая любопытная черта нашего цикла «сон – бодрствование» в том, что он следует ритму 24 часа. Если вы чувствуете себя достаточно уставшим, чтобы лечь сегодня спать в десять часов вечера, скорее всего, вы будете таким же уставшим в десять часов вечера завтра. То же верно и с пробуждением. Если только вы не загуляете в предыдущую ночь, обычно вы просыпаетесь примерно в то же время каждое утро.
Этот 24-часовой цикл, который называется циркадным ритмом, регулируется другой небольшой группой нейронов в области, которая называется «супрахиазматическое ядро» и входит в гипоталамус. Эта крошечная группа из 20 000 нейронов получает прямые сигналы от светочувствительных клеток глаза. Это значит, что супрахиазматическое ядро минует наши сознательные зрительные системы таламуса и зрительной коры и получает информацию непосредственно от источника (нашей сетчатки). Так как эти нейроны реагируют на свет, они ведомы циклом дня/ночи Земли, который также имеет 24-часовой цикл и заставляет циркадный ритм работать в его периоде.
Что происходит, если повреждается супрахиазматическое ядро? Поразительно: люди сохраняют естественный ритм сна и пробуждения, но они больше не следуют 24-часовому циклу. Вместо этого у них возникает цикл 25 или 26 часов, проблема, известная под названием «не 24-часовое нарушение цикла "сон – бодрствование"». Словно, не зная о восходе и заходе солнца на Земле, естественная тенденция тела – жить 25-часовым днем. Но не важно, какой длины наш внутренний циркадный ритм, тот факт, что люди с повреждением супрахиазматического ядра все равно нуждаются в регулярном сне, доказывает одно: сон жизненно необходим для людей.
Сны как проигрывание дня
Что происходит, когда мы наконец засыпаем? Пока мы говорили о сне как о «выключенном» состоянии. Но в этом «выключенном» состоянии мозг делает невероятно сложные вещи.
Возможно, вы слышали, что в какой-то момент во сне мы вступаем в фазу сна с быстрым движением глаз (rapid eye movement, REM). Во время быстрого сна части системы возбуждения слегка просыпаются. Активность новой коры возрастает, и нейроны в покрышке среднего мозга, части среднего мозга, который также входит в РАС, тоже начинают работать больше. Однако в отличие от состояния, когда мы бодрствуем, клетки, которые отвечают за сон в ВЛПО, и клетки, которые парализуют периферические мышцы, остаются активны, и мозг пребывает в квазибодрствовании, но больше во сне. Именно в этом состоянии сновидений происходит что-то очень странное в части мозга, которая в течение дня кодирует воспоминания событий, называемые эпизодическими воспоминаниями.
Глубоко в мозге есть маленькая область в форме морского конька – гиппокамп. Мы поговорим об этой структуре и его связи с памятью позже (в главе 10). Обычно гиппокамп считают ответственным за консолидацию кратковременных воспоминаний в долговременную память. И все же гиппокамп еще играет важную роль в ориентировании в пространстве (способность использовать ориентиры, чтобы понять, как добраться из пункта А в пункт Б). Мы пока предполагаем, что гиппокамп делает это, создавая маленькую внутреннюю карту среды, в которой мы движемся.
Если вы изучите электрическую активность гиппокампа, вы найдете набор клеток, обладающих поразительным качеством. Эти нейроны, называемые нейронами места, «стреляют», когда вы находитесь в определенной части пространства.
Обычно в этот момент студенты-нейропсихологи восклицают: «Погодите… что?..»
Возможно, проще будет понять это с примером. Представьте, что вы только что вошли в ванную, которую считали пустой, и обнаружили в одном ее углу хищного зомби, а в другом – мощный топор. Как только вы пересекаете дверной проем, несколько нейронов места в гиппокампе начинают «стрелять», сообщая мозгу: «Мы переместились в центральную часть комнаты». Когда вы перебегаете на другую сторону ванной, где лежит топор, «выстреливают» разные наборы клеток, чувствительные к вашему положению в комнате. Есть клетки, которые «стреляют», когда вы обходите опрокинутое ведро, другие – когда перепрыгиваете через лужу воды из сломанного унитаза, и еще один набор «выстреливает», когда вы добираетесь до угла с топором.
