Co robi mózg, gdy śpisz?

1 · Zasypianie

Skąd mózg wie, że pora spać?

Po kawie senność na jakiś czas ustępuje, choć godzin bez snu wcale nie ubyło. Żeby zrozumieć dlaczego, trzeba zacząć od tego, skąd senność się bierze. Narasta z każdą godziną czuwania, a mimo to nie przychodzi o dowolnej porze. Alexander Borbély opisał to w 1982 roku jako dwa procesy, które razem wyznaczają porę snu. Pierwszy to presja snu, która rośnie, gdy nie śpisz, i maleje w czasie snu. Drugi to zegar dobowy, którego rytm wyznacza jądro nadskrzyżowaniowe w podwzgórzu.

Jednym z nośników presji snu może być adenozyna. U kotów jej stężenie w podstawnej części przodomózgowia rosło w czasie czuwania, rosło dalej przy przedłużonym czuwaniu i powoli spadało w czasie snu, który po nim przyszedł (Porkka-Heiskanen i in., 1997). Kofeina wiąże się z receptorami adenozyny i je blokuje. U myszy jej pobudzające działanie zależało od jednego rodzaju tych receptorów, A2A (Huang i in., 2005). Kawa może więc zagłuszać jeden z sygnałów senności.

Dlaczego rzadko zostajesz w pół drogi między snem a czuwaniem?

Czuwanie podtrzymuje sieć skupisk komórek w pniu mózgu i podwzgórzu, których sygnały pobudzają wzgórze i korę. U szczurów badacze znaleźli w przedniej części podwzgórza skupisko komórek aktywnych w czasie snu, a nie w czasie czuwania. To jądro brzuszno-boczne pola przedwzrokowego. Jego komórki wysyłają hamujące przekaźniki do kolejnych części układu, który trzyma mózg w czuwaniu.

Clifford Saper i współpracownicy opisują to jako przełącznik. Strona snu i strona czuwania hamują się nawzajem, więc mózg rzadko zatrzymuje się w połowie drogi i z jednego stanu w drugi przechodzi szybko. Przełącznik stabilizują komórki w bocznej części podwzgórza, które wytwarzają oreksyny. U osób z narkolepsją, u których sen wdziera się w dzień, w badaniu pośmiertnym znaleziono od 85 do 95 na 100 mniej takich komórek niż u osób zdrowych (Thannickal i in., 2000).

To, że przełącznik ustawi się na sen, nie znaczy jednak, że cały mózg śpi równie głęboko. Widać to pierwszej nocy w nowym miejscu.

Dlaczego pierwszą noc w hotelu śpisz gorzej?

Kto spał w nowym miejscu, zna to uczucie. Zasypia się dłużej, a rano trudno powiedzieć, czy noc była przespana. Masako Tamaki i współpracownicy sprawdzili, co dzieje się wtedy w mózgu. W pierwszej nocy, w śnie wolnofalowym pierwszego cyklu, fale wolne w sieci domyślnej lewej półkuli były słabsze niż w prawej, a więc ta część mózgu spała płycej. Im większa była ta różnica, tym dłużej osoba zasypiała.

Gdy w nocy odtwarzano dźwięki, lewa półkula silniej reagowała na rzadkie, odmienne dźwięki, a ponad 80 na 100 krótkich pobudzeń widocznych w EEG następowało po dźwiękach skierowanych do niej. W drugiej sesji, mniej więcej tydzień później, te różnice znikały. Autorzy uważają, że jedna półkula pełni w nowym miejscu nocną wartę.

Co wzgórze robi prawie 5 razy na minutę płytkiego snu?

Wrzeciona to krótkie serie szybszych drgań, które w zapisie wyglądają jak wrzeciono z nawiniętą przędzą. Według przeglądu Laury Fernandez i Anity Lüthi są one na powierzchni głowy odbiciem oscylacji neuronów we wzgórzu. Należą do tych cech zapisu snu, które w dużym stopniu się dziedziczy. Wzgórze na modelu świeci w rytmie prawdziwych wrzecion z 30 sekund tej nocy.

Zapisy z elektrod wszczepionych pacjentom przed operacją pokazały, że większość wrzecion pojawia się tylko w części mózgu. Szybsze, 13-15 Hz, występowały w okolicy ciemieniowej i środkowej, a wolniejsze, 9-12 Hz, w płatach czołowych.

Siła drgań 12-15 Hz w 30 sekundach snu płytkiego z godziny 2:33, odtwarzana w prawdziwym tempie.

Czy w głębokim śnie mózg odpoczywa?

Pod jednym względem tak. Zużywa wtedy wyraźnie mniej paliwa.

Pierre Maquet i współpracownicy zmierzyli to w pozytonowej tomografii emisyjnej. Badano 11 osób, a warunki pomiaru spełniły 4 pomiary w śnie głębokim.

Mniej paliwa nie oznacza jednak ciszy. Z wcześniejszych badań wiadomo, że w śnie głębokim prawie wszystkie neurony kory rytmicznie przechodzą od ciszy do intensywnych wyładowań, mniej niż raz na sekundę. Marcello Massimini i współpracownicy nagrali śpiące osoby gęstą siatką elektrod EEG i sprawdzili, jak ten rytm rozchodzi się po głowie. Każda fala zaczynała się w jednym miejscu, najczęściej w okolicy przedczołowej i oczodołowo-czołowej, i szła ku tyłowi głowy z prędkością od 1,2 do 7 metrów na sekundę. Przód mózgu na modelu pulsuje w rytmie prawdziwych fal wolnych tej nocy.

Fale 0,3-2 Hz z 30 sekund snu głębokiego z godziny 2:57, odtwarzane w prawdziwym tempie.

3 · Powtórka dnia

Czy w nocy mózg powtarza Twój dzień?

Po kilku godzinach gry w Tetrisa klocki potrafią spadać przed oczami jeszcze przy zasypianiu. Robert Stickgold i współpracownicy poprosili ludzi o granie w Tetrisa. Większość z nich, 17 z 27 osób, przy zasypianiu widziała obrazy klocków. Podobne obrazy opisało trzech pacjentów z rozległym uszkodzeniem przyśrodkowej części płatów skroniowych, choć nie pamiętali, że w ogóle grali.

Czy mózg wraca do dnia także później, w śnie wolnofalowym? Najpierw sprawdzono to u szczurów. W 1994 roku Matthew Wilson i Bruce McNaughton zapisali u trzech szczurów aktywność komórek miejsca w hipokampie, czyli neuronów, które strzelają, gdy zwierzę jest w określonym punkcie. Komórki, które pracowały razem, gdy szczur poznawał otoczenie, w następującym potem śnie wolnofalowym częściej strzelały razem niż w śnie sprzed zadania.

U ludzi zespół Philippe'a Peigneux zmierzył przepływ krwi w mózgu. Obszary hipokampa, które pracowały przy uczeniu się trasy w wirtualnym mieście, pracowały znowu w śnie wolnofalowym. Im większa była ta aktywność, tym lepiej osoby odnajdywały trasę następnego dnia. To związek, a nie dowód przyczyny, ale wskazuje ten sam kierunek co badania na szczurach.

4 · Pamięć

Czy da się wzmocnić nocne utrwalanie pamięci?

Wyobraź sobie, że uczysz się przy jakimś zapachu, a w nocy ktoś podaje Ci go jeszcze raz. Björn Rasch i współpracownicy zrobili dokładnie to. Gdy zapach z nauki podano badanym w śnie głębokim, lepiej zachowali w pamięci to, czego się nauczyli, ale tylko w zadaniu zależnym od hipokampa. Zapach nie pomagał w śnie REM ani w czuwaniu, a w skanerze rezonansu magnetycznego w śnie głębokim pobudzał hipokamp. To eksperyment, więc pokazuje coś więcej niż sam związek.

Jak wspomnienie przechodzi z hipokampa do kory, wciąż nie wiadomo dokładnie. Bernhard Staresina i współpracownicy zapisali sen 12 osób z padaczką, którym przed operacją wszczepiono elektrody do hipokampa. Trzy rytmy ułożyły się w ścisłej kolejności. Wrzeciona pojawiały się w fazie pobudzenia fali wolnej, a w dolinach wrzecion skupiały się bardzo szybkie drgania hipokampa. Taka kolejność może wyznaczać okienka, w których hipokamp przekazuje świeże wspomnienia do kory. To hipoteza, którą ten wynik wspiera.

Z wiekiem te rytmy rozjeżdżają się w czasie. U starszych osób w badaniu Randolpha Helfricha i współpracowników im bardziej zanikła przyśrodkowa kora czołowa, tym słabiej wrzeciona trafiały w falę wolną i tym więcej osoby zapominały przez noc.

5 · Nowe połączenia

Dlaczego rano widzisz rozwiązanie, którego wieczorem nie było?

Wieczorem utkniesz nad zadaniem, a rano odpowiedź wydaje się oczywista. Ullrich Wagner i współpracownicy sprawdzili to w laboratorium. Dali ludziom zadanie z ukrytą regułą, która pozwalała odpowiadać dużo szybciej. Po treningu jedni przespali 8 godzin, a inni tyle samo czuwali, w nocy albo w dzień.

Pora dnia nie miała znaczenia. Bez wcześniejszego treningu sen nic nie dawał.

W badaniu Denise Cai i współpracowników ludzie rozwiązywali zadania, w których do trzech słów trzeba znaleźć czwarte, łączące je wszystkie. Po drzemce ze snem REM łączyli odległe skojarzenia lepiej niż po drzemce bez REM i po spokojnym odpoczynku.

Sen może też robić miejsce. Giulio Tononi i Chiara Cirelli uważają, że w dzień nauka wzmacnia połączenia między neuronami w całym mózgu, a w śnie ich siła wraca do równowagi. Ich zespół (de Vivo i in., 2017) zmierzył w mikroskopie elektronowym 6920 synaps w korze myszy. Po śnie powierzchnia styku była średnio o około 18 na 100 mniejsza niż po czuwaniu. Zmiana ominęła część największych synaps.

6 · Oczyszczanie

Czy sen sprząta mózg?

Możesz trafić na zdanie, że sen służy do wypłukiwania odpadów z mózgu. Mózg rzeczywiście cały czas pozbywa się produktów przemiany materii, a płyn mózgowo-rdzeniowy przepływa przez niego i wymienia się z płynem między komórkami. Ten szlak nazywa się układem glimfatycznym. Badacze spierają się jednak nie o to, czy mózg się oczyszcza, tylko o to, czy w śnie robi to szybciej niż w czuwaniu.

U ludzi widać, że płyn w śnie naprawdę porusza się falami. Nina Fultz i współpracownicy nagrali 13 osób jednocześnie w szybkim rezonansie magnetycznym i w EEG. W śnie NREM po falach wolnych zmieniał się przepływ krwi w mózgu (sygnał BOLD, który autorzy wiążą ze zmianą objętości krwi), a za tym szły duże fale płynu, mniej więcej co 20 sekund.

Schemat według opisu Fultz i in. (2019), bez prawdziwych danych: fala wolna, potem spadek objętości krwi, potem napływ płynu.

U śpiących myszy zespół Maiken Nedergaard zobaczył, że przestrzeń między komórkami powiększa się o 60 na 100, a beta-amyloid szybciej znika z mózgu. W 2024 roku zespół Nicholasa Franksa zmierzył u myszy coś odwrotnego. Usuwanie barwnika z mózgu było w czasie snu i narkozy wolniejsze, a nie szybsze. Jedna noc bez snu u ludzi podniosła za to ilość beta-amyloidu w prawym hipokampie i wzgórzu o około 5 na 100, u 19 z 20 badanych osób (Shokri-Kojori i in., 2018).

7 · REM i sny

Dlaczego w fazie REM oczy biegają, a ciało leży bez ruchu?

Gdyby ktoś patrzył na Ciebie nad ranem, mógłby zobaczyć, jak oczy pod powiekami szybko się poruszają, choć reszta ciała leży spokojnie. W 1953 roku Eugene Aserinsky i Nathaniel Kleitman opisali takie okresy szybkich ruchów oczu, które regularnie wracają w czasie snu. Oczy nad przekrojem poruszają się w rytmie prawdziwego zapisu ruchów oczu z 30 sekund snu REM tej nocy, z godziny 6:21. Same oczy są dorysowane schematycznie.

Mięśnie brody w tym zapisie były w REM najbardziej rozluźnione w całej nocy. Ich napięcie wynosiło mniej więcej jedną piątą tego, co w czuwaniu i w stadium N2. W badaniach na szczurach komórki w moście wysyłały w REM sygnały, które ostatecznie hamują neurony ruchowe. Gdy u kotów uszkodzono tę okolicę, zwierzęta w REM zaczynały się poruszać, jakby odgrywały swoje sny.

Które części mózgu dostają w REM więcej krwi, a które mniej?

Pierre Maquet i współpracownicy zbadali w PET siedem osób w stabilnym śnie REM. Przepływ krwi był wyższy w nakrywce mostu, w obu ciałach migdałowatych i w przedniej części zakrętu obręczy, a niższy w dużej części grzbietowo-bocznej kory przedczołowej i w przedklinku. We wcześniejszym badaniu tego zespołu zużycie glukozy w REM było takie jak w czuwaniu, choć warunki pomiaru spełniły tylko 4 pomiary.

Czy da się zobaczyć, że ktoś śni?

Wyobraź sobie, że ktoś budzi Cię w środku nocy i pyta, co przed chwilą działo się w Twojej głowie. Tak wyglądało badanie Franceski Siclari i współpracowników. Budzili śpiące osoby w różnych momentach nocy i pytali, czy przed sygnałem czegoś doświadczały. Sen nie zawsze wiązał się z fazą REM. Osoby opowiadały o snach także po przebudzeniu z NREM.

W obu stadiach liczyło się to, co działo się w tylnej części kory. Gdy wolne fale słabły w tylnej części kory, od płatów potylicznych po przedklinek i tylną część zakrętu obręczy, budzone osoby zwykle opowiadały o śnie. Na tej podstawie badacze u kolejnych 7 osób przewidywali na bieżąco, czy osoba budzona z NREM coś śniła.

Czy sen wycisza wczorajsze emocje?

Gdy coś mocno Cię poruszy, łatwo usłyszeć radę „prześpij się z tym”. Els van der Helm i współpracownicy sprawdzili, jak noc snu zmienia reakcję mózgu na obrazy, które budzą emocje. Pokazywali ludziom zdjęcia budzące emocje, a po 12 godzinach te same zdjęcia jeszcze raz. W grupie, która w tym czasie spała, reakcja ciała migdałowatego spadła przez noc, a w grupie, która czuwała w dzień, wzrosła. Spadek wiązał się z cechami zapisu snu REM, a następnego dnia osoby oceniały zdjęcia jako mniej poruszające.

Brak snu działa w drugą stronę. W badaniu Seung-Schika Yoo i współpracowników 14 osób nie spało przez około 35 godzin. W rezonansie magnetycznym ich ciało migdałowate reagowało na nieprzyjemne zdjęcia o 60 na 100 silniej niż u 12 osób, które przespały noc, a słabiej łączyło się z przyśrodkową korą przedczołową, która pomaga je wyciszać.

8 · Gdy brakuje snu

Co się dzieje, gdy nie śpisz za długo?

Ann Williamson i Anne-Marie Feyer porównały wyniki testów po kolejnych godzinach bez snu z wynikami po wypiciu alkoholu. Przy dłuższym czuwaniu wyniki spadały do poziomu jak przy około 1 promilu alkoholu.

Yuval Nir i współpracownicy zajrzeli, co dzieje się wtedy w mózgu. Dwunastu pacjentów z elektrodami wszczepionymi przed operacją rozpoznawało na ekranie twarze w kilku sesjach. Czterech z nich robiło to także po nieprzespanej nocy. Tuż przed chwilami, w których reagowali najwolniej, neurony w przyśrodkowej części płata skroniowego odpowiadały słabiej, później i dłużej. W tym samym miejscu rosła wtedy wolna aktywność (2-10 Hz), podobna do tej ze snu. Autorzy widzą w tym miejscową zmianę stanu fragmentu mózgu, przypominającą sen, choć człowiek czuwał.

A gdy śpisz po 6 godzin?

Policz, ile snu dały Ci ostatnie noce, i zapytaj siebie, jak bardzo chce Ci się spać. Badanie Hansa Van Dongena pokazuje, że to poczucie słabo mówi o tym, jak naprawdę pracujesz. Jego zespół zamknął w laboratorium 48 zdrowych osób w wieku 21-38 lat. Przez 14 dni mogły spać po 4, 6 albo 8 godzin na dobę (tyle trwał czas w łóżku), a inna grupa nie spała przez 3 noce. Przy 4 i 6 godzinach wyniki testów uwagi i pamięci roboczej spadały z dnia na dzień. Po dwóch tygodniach po 6 godzin uwaga i pamięć robocza były tak słabe jak po nocy całkowicie bez snu, a po 4 godzinach jak po dwóch takich nocach.

Najbardziej zaskakujące było to, jak ludzie się czuli. Senność rosła tylko w pierwszych dniach, a potem prawie stała w miejscu, choć wyniki dalej spadały. Badani w dużej mierze nie zdawali sobie sprawy, jak bardzo się pogorszyli.

Co w jednej nocy zabiera wcześniejszy budzik, możesz sprawdzić pod wykresem w rozdziale Fazy snu.

Czy z wiekiem śpi się płycej?

W metaanalizie Maurice'a Ohayona i współpracowników, która objęła 3577 osób w wieku od 5 do 102 lat, u dorosłych z wiekiem malał udział snu głębokiego i snu REM. Rosły za to czas zasypiania, udział snu płytkiego i czas czuwania po zaśnięciu. Po 60. roku życia dalej spadała już tylko wydajność snu, czyli część czasu w łóżku, którą faktycznie się przesypia.

Przyśrodkowa kora czołowa, która na modelu świeci, to miejsce, w którym zaczyna się wiele fal wolnych. U starszych osób jej zanik wiązał się z tym, że rytmy snu słabiej się zgrywały, a nocne utrwalanie pamięci szło gorzej.