Что такое сон и почему он так важен для организма человека?

Сегодня учёные открыто говорят, что сон — большая биологическая загадка и многогранное состояние. Масса важных процессов, происходящих в это время внутри нашего организма, ещё не исследованы. Это не просто перерыв в бодрствовании, а сложный физиологический процесс, жизненно необходимый для нашего здоровья и благополучия.

Что такое сон. Как он появился эволюционно?

Сон является фундаментальной биологической потребностью, имеющей глубокие эволюционные корни, поскольку присутствует у самых разных живых существ, включая простейших: спят даже цианобактерии, насекомые, рыбы.

Понимание феномена сна с эволюционной перспективы представляет определенную дихотомию. С одной стороны, данное физиологическое состояние на первый взгляд кажется нелогичным, поскольку в период сна организм временно отстраняется от ключевых жизненно важных функций — поиска пищи, продолжения рода, а также утрачивает бдительность и защищенность от внешних угроз.

Однако, с другой стороны, сон имеет фундаментальное значение для процессов восстановления, регенерации и поддержания гомеостаза. В ходе эволюционного развития биологическая польза сна, связанная с восстановлением физических и психических ресурсов, превысила его кратковременные недостатки, что объясняет закрепление данной адаптивной особенности в поведенческом репертуаре множества живых организмов. Таким образом, похоже, что человеческий сон представляет собой сложный феномен, совмещающий в себе биологические издержки и преимущества, что делает его неотъемлемым компонентом оптимального функционирования многоклеточных организмов, в том числе и человека.

Считается, что он возник как механизм энергосбережения в периоды покоя и безопасности, когда не нужно активно искать пищу, защищаться или размножаться. У примитивных форм жизни сон проявлялся как периоды пониженной активности и минимальных затрат энергии. По мере эволюции он становился все более сложным физиологическим процессом, сопровождаемым специфической активностью мозга. И наконец у высших млекопитающих и человека сон приобрёл особую важность для когнитивных функций — обработки информации, консолидации памяти, обучения.

Анализ паттернов сна на различных этапах исторического развития человека позволяет проследить его эволюционную динамику.  Исследования сна у шимпанзе, ближайших к людям приматов, показали, что у них есть примитивные формы сна, характеризующиеся преобладанием медленноволнового сна. Это свидетельствует об адаптации к энергоэффективному образу жизни, типичному для приматов, ведших преимущественно ночной или сумеречный образ жизни.

По мере развития социальной организации и увеличения когнитивных способностей у представителей рода Homo, паттерны сна становились более дифференцированными. Повышение доли быстрого сна (REM-сна) коррелирует с усложнением психических процессов, включая консолидацию памяти, эмоциональную регуляцию и креативность.

Современный человек характеризуется еще более сложной организацией сна, включающей четко выраженные стадии медленного и быстрого сна. Данная эволюционная траектория отражает адаптацию к комплексным когнитивным и поведенческим требованиям, предъявляемым к человеку в рамках высокоразвитой социальной организации.

Стадии, циклы и фазы сна

Стадии сна

Медленный сон

• N1, лёгкий сон (5% от цикла). Самая лёгкая стадия сна, при ней в скелетных мышцах ещё присутствует мышечный тонус, дыхание обычное. Появляются медленные движения глаз. На электроэнцефалограмме исчезает альфа-ритм, появляется тета-ритм. Эта стадия длится от 1 до 5 минут.

• N2, более глубокий сон (45%). Начало второй стадии характеризуется появлением на ЭЭГ двух типичных признаков: К-комплексов и сонных веретён. Частота сердечных сокращений и температура тела снижаются. Наступает этап синаптической пластичности, благодаря которой активно идут процессы консолидации памяти, особенно процедурной и декларативной. Длится около 25 минут в первом цикле и удлиняется с каждым последующим циклом, в итоге составляя около 45% от общего сна.

• N3, самый глубокий медленный сон (25%). Самая глубокая стадия сна, пробудиться труднее всего: некоторых не разбудит даже громкий звук. С возрастом люди проводят меньше времени в этом сне. Но даже если и получится проснуться, то некоторое время (от 30 мин до часа) будет сохраняться фаза затуманивания сознания, известная как инерция сна. Именно на этом этапе организм восстанавливает и восстанавливает ткани, наращивает кости и мышцы, а также укрепляет иммунную систему.

Быстрый сон (25% цикла)

Связан со сновидениями и не считается стадией спокойного сна. И хотя мозговая активность, движения глаз и дыхательных мышц в это время почти аналогичны тем, что определяются у бодрствующего человека, тонус скелетных мышц снижается, они почти неподвижны, мозг очень активно потребляет кислород, его метаболизм повышается на 20%, учащается пульс, повышается артериальное давление. Эта стадия обычно начинается через 90 минут после медленного сна, при этом каждый цикл быстрого сна увеличивается в течение ночи. Первый цикл обычно длится 10 минут, а последний цикл длится до 1 часа. Люди склонны спонтанно просыпаться утром именно во время эпизода быстрого сна.

Циклы сна

Стадии складываются в циклы. Типичный ночной сон состоит из 3−5 циклов сна с последовательностью стадий сна в следующем порядке: N1, N2, N3, REM. Организм проходит через все стадии примерно 3−5 раз за ночь, в среднем каждый цикл длится в среднем 90 минут, но так как сон — процесс во многом индивидуальный, то возможны колебания от 70 до 110 минут. В первой половине ночи в циклах преобладает фаза глубокого сна, а во второй эта фаза снижается и преобладает фаза быстрого сна: если средняя продолжительность первого цикла сна NREM-REM составляет от 70 до 100 минут, то далее последующие циклы более продолжительны — примерно от 90 до 120 минут. Фаза быстрого сна увеличивается по мере углубления ночи и является самой продолжительной в последней трети эпизода сна. Постепенно стадия N2 начинает составлять бо́льшую часть медленного сна, а стадии 3 и 4 иногда могут вообще исчезнуть. Этот ритм способствует тому, чтобы человек пробуждался в стадии быстрого сна.

Фазы сна

Итак, человеческий сон включает две фазы: сон с быстрым движением глаз (быстроволновой сон, парадоксальный сон, стадия быстрых движений глаз, REM) и сон с медленным движением глаз (медленноволновой сон, ортодоксальный сон, NREM), который далее делится на 3 стадии — от N1 до N3, и каждая из этих стадия углубляет сон. Примерно 75% сна проходит на стадии NREM, причём бо́льшая часть сна приходится на стадию N2.

Почему же сон так важен для нас?

Недостаток или нарушение сна вызывают клеточный стресс — широкий спектр молекулярных изменений в различных клеточных структурах. Во время сна в структурах клеток запускаются восстановительные и регенеративные процессы. Интересно, что индукция клеточного стресса активирует механизмы, способствующие увеличению продолжительности сна как адаптивной реакции.

Сон и циркадные ритмы тесно связаны с функционированием иммунной системы. Нормальный цикл сна-бодрствования синхронизирует ритмы иммунных процессов. Клетки, которые необходимы для быстрой и эффективной реакции на антигены (возбудителей инфекции, например) и для защиты тканей от повреждений, активны в период дневного бодрствования. Тогда как Т- и В-лимфоциты — клетки, необходимые для формирования адаптивного иммунитета, развития долговременной иммунной памяти — максимально активны в период раннего ночного сна. 

Велика роль сна в психических функциях, консолидации памяти: как декларативной, так и недекларативной, процедурной. Первая — это воспоминания, о которых человек может рассказать. Она включает эпизодическую память, например, куда мы сегодня ходили; и общую, семантическую память, благодаря которой мы помним, например, что Париж — столица Франции. Вторая, процедурная — это навыки, которые освоены в течение жизни (как ездить на велосипеде), а также рефлексы. Правильно организованный, в соответствии с биоритмами сон, улучшает такие задачи процедурной памяти, как визуальная и слуховая фиксация события, правильное выполнение последовательности движений и моторную адаптацию. Сон защищает воспоминания от сторонних вмешательств, наслоениям других событий, помогает памяти распознавать и характеризовать объекты. И наконец, всё больше данных, что именно здоровый сон помогает в творческом осмыслении происходящего и установлении широких связей между фрагментами информации.

Эмоциональная сфера страдает на фоне недостатка сна. Связано это, скорее всего, с изменением активности некоторых отделов головного мозга и нарушением нейрохимических эффектов при передаче импульсов от клетки к клетке. Например, количество адреналина при нехватке сна вырастает на 30%, а серотонина и дофамина примерно на столько же снижается. Раздражительность, чрезмерная реакция на вполне будничные ситуации (плеск воды, чуть повышенная громкость разговора и т. п.) очень раздражают, блокируют эмоциональную память.

Во сне метаболизм (процессы расщепления и усвоения питательных веществ) замедляется, а расход энергии, вызванный использованием и потерей тепла, ограничивается поведенческими адаптациями, включая выбор мест для сна, принятие специфичных поз для сохранения тепла. То есть мышечная активность и теплообмен минимизированы, что и позволяет восстановить запасы энергии и сохранить их.

Какие процессы происходят во время сна

Что же происходит с нашим организмом во время сна? Давайте немного заглянем в физиологические (то есть нормальные) изменения, которые мы никогда не замечаем, потому что спим.

Процесс засыпания сопровождается рядом физиологических трансформаций в организме человека. Данные изменения носят адаптивный характер и обеспечивают целесообразное перераспределение функциональной активности в состоянии сна.

• При засыпании отмечается постепенное снижение частоты сердечных сокращений, что приводит к незначительному понижению артериального давления. Это обусловлено уменьшением потребности организма в интенсивном кровоснабжении тканей. Параллельно с этим происходит расширение периферических кровеносных сосудов, что способствует снижению температуры тела.

• Наблюдается переход дыхательной системы в более экономный режим функционирования: дыхание становится более редким и глубоким. Аналогичные процессы замедления моторики наблюдаются в желудочно-кишечном тракте, почках и других внутренних органах.

• Особую роль в физиологии сна играют процессы, происходящие в центральной нервной системе. Во время сна мозг активно обрабатывает информацию, полученную за предшествующий период бодрствования. Происходят консолидация памяти, формирование новых нейронных связей и элиминация ненужных мнемонических следов.

• Немаловажным аспектом физиологии сна является восстановление тканей организма. Так, во время глубокого сна повышается секреция гормона роста, стимулирующего регенерацию мышц, костей и кожных покровов.

Таким образом, физиологические трансформации, характерные для состояния сна, имеют комплексный адаптивный характер, обеспечивая оптимальные условия для восстановления организма и обработки полученной в бодрствовании информации.

Что даёт сон и почему он так важен? Что будет, если недосыпать или спать плохо

Для многих из нас это так естественно: захотеть спать, лечь, уснуть, а утром встать и заняться повседневными делами. Но миллионам людей на Земле это недоступно: различные депривации (недостаток и даже лишение) сна беспокоят до 24% людей! Впрочем, сейчас все люди спят меньше, чем в прошлом. 

Не так давно и учёные, и простые люди думали, что недостаточный сон, бессонница или какие-то другие нарушения сна (их общее название — диссомнии, от древнегреческого слова δυς– «нарушение» и «сон») не наносили особого ущерба здоровью — за исключением дневной сонливости, вялости, не очень хорошего настроения. Но теперь, когда этой теме посвящены тысячи исследований, стало ясно, что это далеко не так.

Уже очевидно: сон менее 7 часов в сутки может иметь самые разнообразные негативные последствия для сердечно-сосудистой, эндокринной, иммунной и нервной систем у детей и взрослых. Более того, чем хуже и/или недостаточнее по продолжительности сон, тем очевиднее проявления неблагоприятных эффектов и их комбинаций.

Ожирение

• Чем короче сон, тем сильнее ожирение. Люди с короткой продолжительностью сна (менее 6 часов) к 27 годам в 7,5 раз чаще имели более высокий ИМТ (индекс массы тела).

• Взрослые, которые спали 7,7–8 часов, имели самый низкий ИМТ; но как только они начинали спать меньше или дольше индекс массы тела постепенно увеличивался.

Оказалось, что недостаточность сна увеличивает аппетит: дефицит сна снижает выработку лептина, гормона жировой ткани, который подавляет аппетит. И одновременно повышает выработку грелина: вещества, стимулирующего аппетит.

Но если бы только этим дело ограничилось! Ожирение само по себе способствует развитию синдрома обструктивного апноэ во сне — состояния, при котором человек периодически перестаёт дышать во сне из-за спадения дыхательных путей на уровне глотки. Человек храпит, сон его становится прерывистым, поверхностным, а утром у него вечно ощущение невыспанности. Получается замкнутый круг: сон нарушен — масса тела растёт — апноэ не даёт нормально спать — и снова сон нарушен.

Диабет и нарушение толерантности к глюкозе

Нарушение толерантности к глюкозе является предшественником диабета. Оно проявляется более длительным повышением уровня глюкозы после еды, чем у здоровых людей.

• У взрослых, которые спят 5 часов или менее, в 2,5 раза выше шанс заболеть диабетом по сравнению с теми, кто спал от 7 до 8 часов в сутки.

• У тех же, кто сообщил, что спит около 6 часов в сутки, вероятность развития диабета была примерно в 1,7 раза выше.

• Кто спит 9 часов и более также попадают в эти цифры.

• Когда 11 здоровым добровольцам в течение недели давали спать только 4 часа в сутки, у них на 40% ухудшились показатели толерантности к глюкозе. 

Сердечно-сосудистые заболевания

Депривация сна связана с увеличением частоты инфаркта миокарда и инсульта. Сон длительностью 5 часов на 45% увеличивал риск сосудистых катастроф.

• Короткий сон менее 4 часов в течение хотя бы одной ночи вызывает у молодых добровольцев повышение артериального давления на критические 15 и выше мм. рт. ст. Это запускает так называемый биологический механизм наблюдаемой связи между потерей сна и сердечно-сосудистыми заболеваниями.

• При переходе на летнее время (из-за потери 1 часа для сна) риск сердечного приступа и инсульта на следующий день увеличивался на 24,5%. Осенью же он снижается на 21%.

• Минимум у 20% и более людей, перенёсших инсульт, перед катастрофой были те или иные нарушения сна.

Настроение, тревожность

Потеря сна очень негативно влияет на настроение и поведение. Впрочем, большинству из нас это известно по опыту: сто́ит хотя бы немного недоспать, и настроение катастрофически ухудшается, сильнее даже, чем когнитивные или двигательные функции.

• Недостаточный сон связан с более высоким уровнем депрессивного настроения, тревоги, поведенческих проблем, употребления алкоголя.

• Потеря сна у подростков связана с усилением депрессивных симптомов и снижением самооценки.

Болезнь Альцгеймера и деменция

Роль нарушений сна в развитии деменции и болезни Альцгеймера очевидна, но в чём именно эта роль заключается — пока неясно. Рассматривается влияние молекулярных механизмов на причинную связь между недостаточной продолжительностью сна и нейродегенерацией, дисфункцией клеток мозга в ответ на окислительный стресс, а также с нарушением циркадного ритма, атрофией лобно-височного серого вещества, нарушением функционирования мозга на фоне нейровоспаления (токсичные белки — бета-амилоид и тау-белок «вымываются» из клеток мозга во сне), с изменением клиренса амилоида Aβ с накоплением и образованием бляшек.

• Среди недосыпающих молодых и людей среднего возраста риск развития деменции выше на 38,5% в сравнении с людьми с нормальными параметрами сна.

• Отказ от ночного сна в течение одной ночи повышает уровень бета-амилоида на 5%.

• При этом вариант «выспаться потом» не снижает риски: продолжительность сна >8 часов связана со в 2 раза более высоким риском развития деменции и болезни Альцгеймера.

Недостаточность выработки гормонов

• Недостаток сна и более низкая его продолжительность. Подобные изменения в балансе тестостерона, как и других гормонов, которые происходят у молодых мужчин с нарушениями сна, аналогичны таковым, происходящим у пожилых мужчин. Учёные говорят о развитии раннего старения у мужчин с подобным дисбалансом: до 10 лет раньше от реального возраста.

• Уровень эстрогена (женского гормона) и его метаболитов выше при достаточном сне, и это положительно связано с эффективностью сна: сон лучше, а пробуждений меньше, когда уровень эстрогена выше. При этом пониженный уровень эстрогена у молодых женщин был связан с ухудшением сна и репродуктивной функции, коррелируя с показателями у женщин старшей возрастной группы (45+). 

И это лишь часть процессов, которые учёные смогли выделить в процессе изучения сна. А сколько ещё загадок, ответов на имеющиеся вопросы и появление новых нас ждёт — покажет только время…