За последние годы значительно продвинулось изучение конкретных мозговых механизмов, поддерживающих уровень бодрствования и обеспечивающих течение сна. Но до сих пор не определены факторы, вызывающие эти состояния. Нет и достаточной ясности в том, какая из форм существования — сон или бодрствование — является основной. Традиционно представление, что основная форма — состояние бодрствования, которое прерывается сном. Именно поэтому так распространены теории сна, а не бодрствования. Если рассматривать вопрос с онтогенетических позиций, то основная форма существования — сон, который представлен у новорожденных больше, чем бодрствование. У некоторых животных даже во взрослом состоянии сон длительнее бодрствования (у кошки— 18 часов). Что следует считать основным состоянием?
Клейтман различает бодрствование по необходимости и бодрствование по выбору. Первое наблюдается у новорожденных и связано с чувством голода, внутренним или внешним дискомфортом. В дальнейшем постепенно начинает преобладать бодрствование по выбору, но фоном является сон.
Однако вопрос о том, какое из этих состояний следует считать основным, не главный. Более существен вопрос о том, что формирует эти состояния. По-видимому, решая этот вопрос, невозможно обойтись без учета существующих внешних ритмов природы, т. е. важно установить, каким образом внешние ритмы приобрели характер внутренних ритмов. Об этом очень образно пишет крупный английский нейрофизиолог Уолтер.
Первые обитатели Земли вышли из океана. Температура их крови была выше температуры воды. Оказавшись на суше, они начали испытывать колебания температуры воздуха. Когда наступал ночной холод, вместе с падением температуры снижалась активность нервной системы животных, с появлением утреннего солнца — снова повышалась. Каждый полдень сопровождался подъемом степени возбуждения и активности. Подобное состояние удается наблюдать у современных холоднокровных животных, было оно и у первых млекопитающих. Именно поэтому появление механизма, контролирующего внутреннюю температуру тела, стало одним из важнейших этапов в эволюции животного мира. У теплокровных животных, в том числе и у человека, сохранился до сих пор ритм колебаний суточной температуры как отголосок резких колебаний, которые происходили в организме первых обитателей Земли.
Суточный ритм связан с состоянием сна и бодрствования. Труднее всего поддерживать высокий уровень бодрствования в периоды наиболее низких показателей температуры тела. Следовательно, у холоднокровного животного условия меняющейся внешней среды определяют периоды смены покоя и активности. Труднее разобраться в этом у млекопитающих, птиц и рыб. Несомненно, что ритм жизни дневных и ночных животных связан с условиями приспособления к внешней среде. К нему приспосабливались их нервные аппараты, температурный ритм. Понятно, почему человек избрал периодом своей активности день: охотиться, заниматься земледелием и скотоводством наши далекие предки могли только в светлую часть суток. С наступлением темноты деятельность практически прекращалась. Так появился ритм бодрствование — сон, повторяющий ритм день — ночь. К такому ритму приспосабливались тысячелетиями и вегетативные колебания, в частности закономерные подъемы и падения температуры. Закрепленный веками ритм стал подвергаться испытаниям по мере прогресса цивилизации, когда утратилась строгая граница между днем и ночью. (Они стали равноценными периодами с точки зрения условий труда.) Но приспособления, которые вырабатывались в процессе эволюции в течение тысячелетий, очень стойки. Следовательно, один из основных факторов, включающий аппараты сна и бодрствования,— внутренний температурный ритм. Устойчивость суточного ритма подчеркивается опытом с животными, у которых, несмотря на выключение факторов внешней среды, внутренний ритм сохраняется, и длительность его равна 24,5—24,6 часа. За 100 суток происходит смещение по отношению к реальному отсчету времени всего па двое суток.
Перейдем к оценке роли усталости — очень важного фактора, которому традиционно отводилась ведущая роль. Действительно, к концу длительного периода бодрствования снижается производительная деятельность, появляются субъективные ощущения усталости, требующие отдыха и сна. Именно на эти факты опирались в прошлом авторы многих теорий сна, в частности гуморальной теории. Однако попытки идентифицировать «гипногенные» вещества не увенчались успехом. С другой стороны, выяснилось, что в период сна в мозгу действительно образуются определенные химические агенты, которые при введении их неутомленному животному прекращают у нею бодрствование. По-видимому, эти факторы не вызывают сон, а выделяются в процессе активности специальных гипногенных систем, обеспечивающих развитие и поддержание сна.
Очень важен вопрос: возникает ли вообще утомление мозга и, следовательно, является ли сон отдыхом для нервной системы; может ли энергетическая теория объяснить наступление сна. В соответствии с этой теорией сон рассматривается как состояние отдыха, восстановления сил утомленной нервной системы. Конкретные нейрофизиологические данные показывают, что в период сна деятельность нейронов мозга не выключается. Происходит преобразование этой деятельности, но функционирование отдельных нейронов не только не приторможено, но выглядит даже более активным.
Возможно ли в принципе утомление нейронов? Известно, что цикл возбуждения и сокращения сердца длится несколько десятых долей секунды, отдых же занимает оставшееся время цикла (т. е. тоже десятые доли секунды). При этом не возникает необходимости в длительном многочасовом прекращении деятельности сердца для отдыха. Цикл возбуждения нейрона намного короче и занимает тысячные доли секунды. Нет основания думать, что для его восстановления недостаточно микроинтервалов между проявлениями деятельности. Таким образом, ни экспериментально, ни теоретически не подтверждается мысль, что сон — результат утомления нейронов головного мозга. Тем не менее усталость, по-видимому, все же является фактором, способствующим наступлению сна. Речь идет прежде всего об усталости скелетной мускулатуры. Мышечное утомление заставляет человека принять горизонтальное положение и расслабить мышцы, что способствует наступлению сна, так как снимает мощный поток импульсов, идущих от сокращенных мышечных волокон.
Умственная усталость тоже может быть важнейшим фактором наступления сна. Однако для понимания этого факта необходимо ознакомиться с новыми представлениями о функциональном назначении сна. Наиболее четко их сформулировал американский исследователь Гарднер, проводящий аналогию между деятельностью мозга и счетнорешающими машинами. По его мнению, в течение дня мозг накапливает огромную информацию, дальнейшее усвоение которой становится затруднительным. Часть информации не имеет отношения к долговременным задачам и лишь «занимает определенное пространство». Мозгу необходимо в определенный момент отобрать информацию, оформить ее в качестве программы действия на будущее. Происходит уничтожение, выброс ненужной информации. Образно говоря, кратковременная память заполняется днем, а ночью содержащаяся в ней информация (не вся) медленно переходит в долговременную память. Так возникло представление о мозге как об информационной машине (устройство по переработке информации). Необходимость отключения от сигналов внешнего мира (именно это и составляет сущность сна) связана с особенностями организации переработки информации, с заполнением информационной емкости кратковременной памяти, с необходимостью рассортировки информации (в долговременную память, в текущую программу деятельности, для уничтожения ненужного). Роль сна в процессах очищения мозга от избыточной информации и переработке нужной информации подчеркивает создатель кибернетики Норберт Винер: «Из всех нормальных процессов всего ближе к непатологическому очищению сон. Как часто бывает, что наилучший способ избавиться от тяжелого беспокойства или умственной путаницы — переспать их!» Информационная теория сна хорошо объясняет данные, которые будут изложены в следующих главах, посвященных психическим процессам в период сна. Она соответствует и конкретным нейрофизиологическим данным. На сегодняшний день эта теория более обоснованна, чем энергетическая.
Умственная усталость, которая несомненно отражает информационную перегрузку и влечет за собой наступление сна, не является результатом процессов утомления отдельных нейронов головного мозга. Именно поэтому деятельность нейронов во время сна не затормаживается, а перестраивается для переработки поступившей в течение дня информации.
Итак, намечаются два фактора, вызывающие включение гипногенных аппаратов: внутренние вегетативные ритмы и утомление в связи с информационной перегрузкой. Определенная роль во включении активных гипногенных аппаратов принадлежит и внешним факторам, таким, как свет, шум, мышечная активность, устранение которых способствует наступлению сна, а также привычкам, ритуалам сна, т. е. условнорефлекторным факторам. Существенную роль играет режим дня. Все это в сумме составляет третью группу влияний, которые можно обозначить как рефлекторные. Вопрос о факторах, способствующих включению сна, звучит теперь уже менее туманно, вырисовывается роль внутреннего ритма, усталости в связи с информационной перегрузкой и привычных рефлекторных влияний.
Совершенно закономерен вопрос о том, что способствует включению активирующих аппаратов восходящей ретикулярной формации ствола мозга, которая обеспечивает пробуждение. Ряд положений, затронутых выше, дает ответ и на этот вопрос. Так, пробуждение обычно совпадает с началом подъема суточной температурной кривой, здесь сказывается роль ритмов. Возможно, что завершение рассортировки информации, восстановление информационной емкости мозга также делает ненужным дальнейшее пребывание в состоянии сна. Вероятно, большую роль играют и внешние факторы (яркий свет, уличные шумы) и внутренние (импульсация из переполненного мочевого пузыря, пустого желудка и т. д.), оказывающие стимулирующее влияние на функциональное состояние активирующих механизмов.
Как видно из всего изложенного выше, речь идет не только о факторах, включающих аппараты сна и бодрствования. Попутно затронуты важнейшие проблемы о функциональном назначении указанных состояний. Этот вопрос уже нельзя связывать с такими факторами, как внутренние ритмы или рефлекторные влияния, включающие активирующие или гипногенные системы. Информационная же теория сна является попыткой представить функциональное назначение сна. Такое представление приходит на смену широко распространенным в прошлом взглядам об энергетической роли сна. Затронутый вопрос очень труден, но он еще более усложнился в последнее время, так как появилась необходимость выяснить, какова функциональная значимость не только сна в целом, но и его основных форм: медленного и быстрого сна. Особенно интенсивно разрабатываются гипотезы о роли быстрого сна. Рассмотрим их по порядку.
Согласно одной гипотезе в медленном сне животное теряет способность распознавать внешние воздействия, снижается его двигательная активность. В быстром же сне активность нервных клеток почти не отличима от бодрствования, мозг готов к распознаванию внешних раздражителей, реагированию на неблагоприятные воздействия. Эту гипотезу вряд ли можно считать обоснованной. Установлено, что пробуждающие агенты одинаковой силы скорее возвращают к бодрствованию животных и людей, находящихся не в быстром, а в медленном сне. Двигательные возможности в связи с резким падением мышечного тонуса также более ограничены в быстром сне. Наконец, как уже говорилось, быстрый сон в большей степени представлен у животных-хищников и у новорожденных, находящихся под неусыпной защитой родителей, и слабее у тех, «за которыми охотятся».
Вторая гипотеза предполагает, что быстрый сон является периодом интенсивной деятельности мозга, способствующим его развитию. Именно в связи с этим он представлен очень сильно в течение внутриутробной жизни и в первый период после рождения. В этом случае не совсем понятно, почему быстрый сон остается и в зрелом возрасте, когда дальнейшее структурно-функциональное развитие мозга прекращается. Считается, что в зрелом возрасте его значение заключается в препятствии избыточному углублению сна, который мог бы привести к нарушению деятельности сердечно-сосудистой и дыхательной системы, предохраняет мозг от необратимых сдвигов в этих системах во время глубокого медленного сна. Не нарушая общей картины сна, быстрый сон периодически усиливает активность многих нейронов мозга.
Наконец, третья гипотеза связывает значение быстрого сна с нормальным осуществлением психической деятельности, с механизмом, обеспечивающим возникновение и течение сновидений. В настоящее время нет сомнений в необходимости сновидений для нормальной психической деятельности. В связи с этим не ясна роль быстрого сна во внутриутробном периоде, раннем детстве, у низших млекопитающих. Может быть, все указанные факторы в совокупности помогут понять функциональное значение быстрого сна. Возможно, что лишь один из них получит в дальнейшем развитие или вскроется новое значение этой фазы.