Чому ми спимо? Дослідники пропонують відповідь на це давнє питання

Сон є фундаментальною потребою, як їжа чи вода. «Ви помрете без цього», – сказала Кейт Хенген, доцент біології Вашингтонського університету в Сент-Луїсі. Але чого насправді дає сон? Протягом багатьох років найкращі дослідники могли стверджувати, що сон зменшує сонливість, що навряд чи є задовільним поясненням основної потреби життя.

Але, об’єднавши концепції з фізики та біології, Хенген і команда дослідників з мистецтва та науки побудували теорію, яка могла б пояснити як значення сну, так і складність роботи мозку. Як повідомляється в новому дослідженні, опублікованому в Nature Neuroscience, вони відстежували мозкову активність сплячих щурів, щоб довести, що мозок повинен регулярно перезавантажувати свою операційну систему, щоб досягти «критичності», стану, який оптимізує мислення та обробку даних.

«Мозок схожий на біологічний комп'ютер», – сказала Хенген. «Пам'ять і досвід під час неспання змінюють код потроху, повільно виводячи більшу систему з ідеального стану. Головна мета сну — відновити оптимальний стан обчислень».

Співавтори статті включають Ральфа Весселя, професора фізики; Іфань Сю, аспірантку з біології, яка вивчає неврологію; та Айдан Шнайдер, аспірантку програми «Обчислювальна та системна біологія».

Вессель сказав, що фізики думали про критичність понад 30 років, але вони навіть не мріяли, що ця робота вплине на сон. У світі фізики критичність описує складну систему, яка існує на переломній точці між порядком і хаосом. «На одній крайності все цілком закономірно. На іншій крайності все випадково», — сказав Вессель.

Критичність максимізує кодування та обробку інформації, що робить її привабливим кандидатом для загального принципу нейробіології. У дослідженні 2019 року Хенген і Вессель встановили, що мозок активно працює, щоб підтримувати критичність.

У новій статті команда надає перші прямі докази того, що сон відновлює обчислювальну потужність мозку. Це радикальний відхід від тривалого припущення про те, що сон повинен якимось чином поповнювати таємничі та невідомі хімічні речовини, витрачені під час неспання.

Після своєї статті 2019 року Хенген і Вессел висунули теорію, що навчання, мислення та неспання повинні відштовхувати мозок від критичності, і що сон ідеально підходить для перезавантаження системи. «Ми зрозуміли, що це було б дійсно круте та інтуїтивно зрозуміле пояснення основної мети сну», — сказав Хенген. «Режим сну — це розв'язання проблеми системного рівня на системному рівні».

Мозкові каскади

Щоб перевірити свою теорію про роль критичності уві сні, дослідники відстежили імпульси багатьох нейронів у мозку молодих щурів, коли вони виконували свій звичайний режим сну та неспання. «Ви можете стежити за цими маленькими каскадами активності через нейронну мережу», — сказав Хенген.

Він сказав, що ці каскади, також звані нейронними лавинами, відображають те, як інформація протікає через мозок. «При критичності можуть виникнути лавини будь-якого розміру та тривалості. Трохи далі від критичності система стає упередженою лише до малих лавин або лише до великих лавин. Це аналогічно написанню книги та можливості використовувати лише короткі чи довгі слова».

Як і передбачалося, на щурах, які щойно прокинулися від відновного сну, зійшли лавини будь-якого розміру. По ходу пробудження каскади почали зміщуватися в бік все менших і менших розмірів. Дослідники виявили, що вони можуть передбачити, коли щури збираються спати або прокидаються, відстежуючи розподіл лавин. Коли розміри каскаду зменшилися до певної межі, сон був не за горами.

«Результати свідчать про те, що кожен момент неспання відштовхує відповідні ланцюги мозку від критичності, а сон допомагає мозку перезавантажитися», — сказав Хенген.

Фізика зустрічається з біологією

Коли фізики вперше розробили концепцію критичності наприкінці 1980-х років, вони дивилися на купи піску на сітці, схожій на шахову дошку, сценарій, здавалося, далекий від розуму.

Але ці купи піску дали важливу інформацію, сказав Вессель. Якщо тисячі зерен опустити на сітку за простими правилами, купи швидко досягнуть критичного стану, коли починають відбуватися цікаві речі. Великі та малі лавини можуть сходити без попередження, і купи в одному квадраті починають перетікати в інші. «Вся система організовується у щось надзвичайно складне», — сказав він.

Вессель сказав, що нейронні лавини, що відбуваються в мозку, дуже схожі на лавини піску на сітці. У кожному разі каскади є ознакою системи, яка досягла найскладнішого стану.

За словами Луїзи, кожен нейрон схожий на окрему піщинку, яка дотримується дуже простих правил. Нейрони — це, по суті, перемикачі увімкнення/вимкнення, які вирішують, запускати чи ні, на основі простих вхідних даних. Якщо мільярди нейронів досягнуть критичного стану — найкращої точки між надто великим порядком і надто великим хаосом, — вони зможуть працювати разом, щоб утворити щось складне й дивовижне. «Критичність максимізує купу функцій, які звучать дуже бажано для мозку», — сказала Хенген.

Нове дослідження було багатодисциплінарним. Хенген, Сю та Шнайдер розробили експерименти та надали дані, тоді як Вессель приєднався до команди для впровадження математичних рівнянь, необхідних для розуміння сну в рамках критичності. «Це прекрасна співпраця між фізикою та біологією», - сказав Вессель.

ДЖЕРЕЛО: https://medicalxpress.com/