Глава 4: Тварини

Вступ

Тварини, такі як леви, які з'їдають багато кілограмів м'яса за один прийом їжі, можуть витрачати п'ятнадцять годин на день спати. Порівняйте це з рослиноїдкими тваринами, як жирафи, які сплять годину або менше щодня (рис. 4.1). Якщо ви повинні були зробити поспішне обстеження, то, як видається, хижаки сплять більше, ніж інші тварини. Однак є винятки з цього узагальнення та інших подібних (наприклад, що менші тварини сплять менше, ніж більші). Існує безліч теорій щодо відмінностей тривалості сну між тваринами, але в даний час немає чіткого фронт-бігуна. Навіть у групах тварин, які схожі генетично, іноді спостерігаються більш виражені відмінності тривалості сну, ніж між значно несхожими тваринами. Ми знаємо, що всі вивчені досі істоти мають період чогось подібного до сну. Навіть одноклітинні організми мають відрізки часу, пов'язані з земним світло-темним циклом, коли вони ледь рухаються і мають знижену реакцію на подразники.

Оскільки неможливо підключити помилку до ЕЕГ, ЕОГ та ЕМГ для фізіологічної перевірки сну, для багатьох форм життя ми повинні покладатися на це більш поведінкове визначення сну - наприклад, стереотипну позу відпочинку в поєднанні зі зниженою реакцією на зовнішнє середовище. І давайте обов'язково додамо, що сон - це оборотний стан—одна з ознак сну, слава богу. За відсутності полісомнографії додатковим фактором, який слід додати до рівняння для перевірки сну, є відзначити сильний потяг, який організм проявляє, щоб повернутися до того «сплячого» стану, коли його позбавляють. Але як би ви знали, що позбавлене сну комаха намагається важче спати? Вчені фіксують базовий рівень стимуляції, необхідний для пробудження сплячої істоти, коли воно залишається в нормальному ритмі на кілька днів. Тоді істота не спить протягом того, що було б його час сну. У цьому позбавленому сну стані потрібна більш інтенсивна стимуляція, щоб розпалити істота зі сну. Уявіть, що ваш сусід по кімнаті пробуджує вас, м'яко постукуючи вас по руці після того, як ви провели кілька ночей повноцінного і комфортного сну. Порівняйте це з джебом, необхідним, якщо ви нарешті дрімали після того, як потягнувши всю ніч. Це є прикладом одного аспекту відскоку сну: спати глибше після того, як його занадто довго не спати. Інший аспект - засинання під час годин неспання.

Замість фізіологічних вимірювань для перевірки того, що організм спить, поведінкове визначення виявляється корисним. Спостерігаючи за поведінкою, навіть комахи нададуть додаткові підказки - крім лише пози відпочинку - щоб повідомити нас про те, що вони сплять.

Комахи

Як і люди, вогняні мурахи мають різні стадії сну. Починаються вони з відкритими ротами і втягнутими або пониклими вусиками (рис. 4.2). Потім вусики починають тремтіти, коли вогненний мураха переходить у швидкий вусиковий рух (ОЗУ) сон. Можливо, вони мріють? Чи може сон оперативної пам'яті бути еквівалентом REM сну - хоча багато досліджень показують, що комахи не мають еквівалента REM? На даний момент залишається загадкою, мотивуючи подальші дослідження.

Ще одна комаха, дрозофіла, часто досліджується, коли є необхідність в розшифровці генетики, є улюбленим для дослідження сну. Плодові мухи мають багато генетичних та фізіологічних подібностей з людьми, включаючи отримання кайфу від кофеїну, який тримає сонних мух спати. Як і у людей, якщо дрозофіли не висипаються, вони мають погану пам'ять, мають знижену функцію навчання і гинуть раніше. Вони також були використані для демонстрації зниження сну, пов'язаного з голодуванням. Якщо істота не отримує достатньої кількості калорій, організм, сильно на шкоду, скоротить час, витрачений на сон, щоб замість цього шукати їжу. Одним з найбільш переконливих висновків, пов'язаних зі сном, в цьому дослідженні було відкриття гена, який контролює циркадний ритм (див. Розділ 3). Ці вчені були удостоєні Нобелівської премії 2017 року з фізіології та медицини за свою роботу.1

Риба

Протягом століть вчені вважали, що акули не сплять, тому що їхні очі відкриті, коли вони поселяються в спокійній позі спокою. При подальшому дослідженні стало очевидним, що акули спали, але вони не закривають повіки під час сну (рис. 4.3). Деякі акули мають прозору мембрану, що закриває очі, а у інших повіки частково покривають їх. Мета акулячих повік не пов'язана зі сном; це захистити свої очі під час боротьби або нападу. Великим білим акулам, у яких немає повік, доводиться закочувати очі назад, щоб захистити очі при нападі. Це відео Discovery Channel зафіксувало велику білу акулу спля.2 Можливо, ви чули, що деяким акулам потрібно рухатися під час сну, щоб отримати кисень через свої зябра, і це правда. Але інші акули мають дихальця, які втягують воду і переміщують її над своїми зябрами, щоб їм не потрібно рухатися під час сну.

Рептилії

Ще в 2016 році багато хто вважав, що рептилії мають сон NREM, але не швидкий сон. Однак, коли дослідники з Інституту досліджень мозку Макса Планка у Франкфурті почали вивчати австралійського дракона - типу ящірки, яка є популярним домашнім улюбленцем у Німеччині - з'явилася дивовижна історія (рис. 4.4). Вчені поставили собі за мету вивчати візуально керовану поведінку і постійно записували мозкову активність ящірок за допомогою електродів. Вони робили це протягом декількох днів одночасно, також використовуючи інфрачервоні камери для запису нічної поведінки. Хоча сон не був у центрі уваги дослідження, вони виявили, що ящірки мали типову активність сну NREM, а також активність мозку REM у поєднанні з крихітними посмикуваннями повік під час фаз REM. Частина значення цієї знахідки пов'язана з тим, як REM сон також зустрічається у птахів і ссавців, істот, які еволюціонували окремо і набагато пізніше, ніж плазуни. До цього дослідження австралійських драконів загальноприйнята мудрість полягала в тому, що еволюційний тиск вздовж двох ізольованих еволюційних шляхів (птахів і ссавців) призвів до появи REM сну - люди думали, що REM сну не існує раніше птахів і ссавців. Тепер зрозуміло, що REM сон існував набагато раніше в еволюційній лінії і, ймовірно, передавався як птахам, так і ссавцям.

Швидкий сон у інших рептилій залишається досліджуваним, але поведінкові схеми сну рептилій спостерігалися протягом століть. Улюблена хону (зелена морська черепаха Гаваї) спить в океані кілька годин, зазвичай близько до поверхні, затримуючи дихання (рис. 4.5). Біля берега вони дрімають кілька футів під водою, затишно під краєм коралового рифу.

Може бути важко визначити, сплять змії або просто не рухаються. Оскільки тонка мембрана, що покриває очі, чітка, здається, вони сплять з відкритими очима.

Деякі гекони насправді сплять з відкритими очима, але вони звужують зіниці, щоб захистити сітківку. Іншим геконам пощастило мати повіки, які вони закривають, так само, як це роблять люди під час сну.

Птахи

Птахи еволюціонували спати з однією півкулею свого мозку одночасно, стежачи за речами, поки вони відкладаються. Це залишає пробуджену половину мозку тривожною і здатною обробляти інформацію, що надходить від пов'язаного з ним ока, який залишається відкритим під час сну. Качки та багато інших птахів використовують цю навичку не лише для власного самозбереження, але й для своєї громади. Сплячи поспіль, дозорні на кожному кінці ряду тримають одне око відкритим, сплячи лише однією півкулею свого мозку. Птахи, що знаходяться між сторожовими, насолоджуються абсолютно спокійною ніччю закритого ока, причому обидві півкулі сплять відразу (рис. 4.6). З обох кінців відкрите око кожної сторожової птиці звернено назовні, тому після періоду сну в такому положенні птах виникає і обертається обличчям до протилежного напрямку, відкриваючи закрите око, і дозволяючи раніше активним півкулі мозку і оку трохи поспати. Незважаючи на те, що вони обробляють інформацію лише половиною свого мозку, для того, щоб охоронні птахи реагували на хижака, потрібно менше п'ятої частки секунди. Хоча швидкий сон є нормальним для птахів, здається, обидві півкулі повинні займатися сном, щоб генерувати REM. Отже, ці пильні опікуни в кінці ряду здатні отримати NREM спати тільки при чергуванні.

У людей досить тонка версія спати однією півкулею заради пильності. Ви коли-небудь помічали, що спите трохи легше в першу ніч перебування в будинку друга або члена сім'ї? І тоді, якщо ви залишитеся з ними ще кілька ночей, ви помітите, що ваш сон відчуває себе більш ситним. Під час NREM в новому оточенні половина нашого мозку матиме легшу версію глибокого сну; інша половина матиме свою нормальну відновлювальну глибину. Це дозволяє нам стежити, коли-небудь так трохи, в нашій менш ніж знайомій обстановці, поки ми не оселимося ще на кілька ночей і відчуваємо себе цілком комфортно.

Птахи мають ще одну захоплюючу адаптацію, пов'язану зі сном. Через свою потребу мігрувати тисячі миль над океаном, вони еволюціонували, щоб безпечно літати без зупинки годинами і годинами, здавалося б, без сну... або вони сплять під час польоту? Так, вони є, і це унікальний режим сну. Фрегат птиці (на Гавайських) літати місяцями прямо і так буде спати близько десяти секунд відразу, в польоті, отримуючи менше півгодини сну кожен день.

Деякі птахи, такі як білокоронований горобець, навіть привернули увагу таких груп, як Міністерство оборони США. Цей горобець може не спати протягом двох тижнів одночасно під час свого міграційного періоду і, мабуть, не зазнати звичних згубних наслідків недосипання. Під час цих фаз птах також залишається здатним вміло реагувати на подразники. Американські військові, з історією тиску на війська, щоб використовувати різні форми стимуляторів, таких як амфетаміни (зі смертельними наслідками), високо мотивовані, щоб визначити спосіб тримати людей, таких як пілоти, не спати протягом тривалого часу, не порушуючи їх судження або шкоди здоров'ю. На даний момент наука припускає, що це неможливо. Будемо сподіватися заради військ, їхніх сімей та світової спільноти, що є також дослідники, які активно досліджують революційні та інноваційні рішення, щоб мінімізувати необхідність заподіяти людям шкоду.

Ссавці

Уявіть собі плавання через океан, коли половина мозку спить, або ловити z, коли бовтається, як стиглий манго з дерева (рисунки 4.8 і 4.9). Однопівкульний сон дельфінів дозволяє їм плавати і спілкуватися - під час сну - з іншими дельфінами. Вгору на деревах кажани, з їх унікальною структурою крила, не в змозі створити швидкий вертикальний зліт, освоєний птахами. Найкращий спосіб для сплячої кажани, щоб уникнути голодного єнота, що стріляє до свого сіла, - це для кажана, щоб впасти з дерева і здійснити політ у повітрі. У морі десятки морських видр збираються разом і загортаються в морські водорості, створюючи плот морської видри для безпеки в кількості і щоб не дрейфувати під час повтору. Зрідка вони навіть тримаються за руки (рис. 4.10). На відкритих трав'янистих ділянках корови, коні, зебри та слони можуть спати стоячи, здатні швидко втекти в разі нападу. Вони мають «апарат перебування», який дозволяє їм по суті зафіксувати ноги, мінімізуючи м'язові зусилля, щоб залишатися стоячи. Іноді ці великі ссавці також лягають спати, щоб завершити свою архітектуру сну.

Помітивши діапазон адаптацій та поведінки, які дозволяють тваринам спати та виживати, ми бачимо, що сон зберігся навіть перед обличчям середовищ, де, здається, було б простіше просто усунути його з суміші. Як сказав Алан Рехтшаффен, першокурсник науки про сон, «Якщо сон не виконує абсолютно життєво важливу функцію, то це найбільша помилка, яку коли-небудь робив еволюційний процес» 3 Тоді як ми можемо протистояти питанню: «Чому сон такий життєво важливий?» Давайте далі досліджуємо сон тварин і отримаємо кілька відповідей.

Хоча вони живуть і сплять у воді, кити, тюлені та дельфіни є ссавцями і тому повинні дихати повітрям. Якби вони повністю заснули під водою, то потонули б, так, як деякі птахи, тільки половина їх мозку спить за один раз. Коли одна півкуля спить, інша півкуля направляє тварину на поверхню і активізує організм, щоб зробити вдих. Зорова система півкулі, що пробуджується, пильна до небезпеки і залишається пов'язаною з іншими тваринами у своїй групі, такими як компаньйони або потомство. Ці складні еволюційні адаптації припускають, що сон повинен забезпечувати вирішальну функцію, оскільки сон не потрапляє на стіл торгів, коли еволюційний тиск шукає поведінку, яку потрібно усунути. Спочатку червоніти, здається, було б легше еволюціонувати, щоб не спати, ніж розвивати механізми, необхідні для сну під час плавання. Іншими словами, сон незамінний!

Повертаючись до однопівкульного сну у водних ссавців, бувають винятки: тюлені мають двопівкульний сон під водою (вони затримують дихання) і кашалоти сплять з обома півкулями теж, здавалося б, бовтаючись у воді, хвостом вниз, поки не прокинуться, щоб сплисти на поверхню, щоб зробити вдих (рис. 4.11).

Дельфіни і деякі кити не виявляють явних ознак швидкого сну, але вчені припускають, що вони можуть відчувати минущий швидкий сон або активність мозку REM в більш глибоких структурах, ніж кора. Ця мотивація не виключати експрес-сну дельфінів та китів частково обумовлена спостережуваними посмикуваннями м'язів, ерекцією статевого члена та рухами повік під час сну дельфінів. Ця поведінка пов'язана з швидким сном у наземних ссавців, але також трапляються під час станів неспання, тому швидкий сон у дельфінів залишається областю активних досліджень. Дельфіни настільки сильно розвинені, що, можливо, ми побачимо, що вони мають унікальну форму REM, яка забезпечує додаткові переваги виживання, крім тих, що даються нам, людям під час швидкого сну.

Морські котики явно мають швидкий сон, але вони додають унікальну варіацію його передбачуваності. На суші морський котик спить відразу обома півкулями і проходить стадії REM і NREM, аналогічні більшості ссавців (рис. 4.12). Однак коли морський котик спить у воді, його сон схожий на сон дельфіна: він спить однією півкулею за раз, а NREM - єдина очевидна стадія сну. Оскільки морські котики проводять тижні в морі, вони йдуть на довгі відрізки без REM. Але чому тюлень має два різні схеми сну, залежно від того, спав він у воді чи ні?

Сучасна теорія про REM полягає в тому, що вона збільшує метаболізм мозку і зігріває мозок і стовбур мозку, врівноважуючи нижчу швидкість метаболізму і температуру мозку NREM. Коли морські котики, дельфіни і кити сплять у воді, по одній півкулі за раз, і виключно в NREM, теорія полягає в тому, що їм не знадобиться REM, щоб розігріти мозок, оскільки половина мозку завжди не спить і тепла. Потім, коли морський котик спить на суші, він повертається до типового зразка наземних ссавців двостороннього NREM з вкрапленням REM. Ми, люди, відчуваємо себе набагато більш пильними, якщо ми прокидаємося незабаром після або навіть під час періоду REM, на відміну від того, коли наші тривоги згасають посеред глибокого сну NREM, коли наш мозок прохолодний і млявий.

Якби REM сон не приніс істотної користі, то, здається, морський котик продовжував би свій однопівкульний сон NREM, коли дрімає на суші. Однак він еволюціонував, щоб включити REM сон щоразу, коли він повертається до свого наземного будинку. З безліччю переваг REM сну - включаючи емоційне зцілення, регуляцію серцево-судинної системи та багато іншого - спокусливо вірити, що REM сон буде включений у цикл сну істоти, якщо це взагалі можливо.

Давайте подивимося назад у часі, щоб порівняти варіації сну ссавців. На ранніх стадіях еволюції ссавців монотреми розгалужувалися від плацентарних і сумчастих. Монотреми (наприклад, качкопи) - ссавці, що несуть яйце. Це на відміну від плацентарних (наприклад, людини), які переносять плід в матці до відносно пізньої стадії розвитку, і сумчастих (наприклад, кенгуру), які народжують до повного розвитку тварини, тому після народження його зазвичай носять в мішечку на тілі матері (рис. 4.13). Хоча протягом десятиліть вчені вважали, що монотреми не відчувають швидкого сну, зараз існують дослідження, які показують, що качкопи не тільки мають швидкий сон, але і мають більш високу швидкість, ніж плацентарні або сумчасті. 5 Під час REM качкодзьоб має швидкі рухи очей і смикається рахунок. Його REM ЕЕГ багато в чому схожа на новонароджених плацентарних ссавців, які також мають високі показники REM. ЕЕГ стовбура мозку качкодзьоба показує, що REM відбувається одночасно з цереброкортикальним повільнохвильовим сном, пояснюючи, чому ранні дослідники, можливо, неправильно класифікували його схему сну.

Гібернатори

Поширеним міфом є те, що сплячка, яка може тривати кілька годин або цілих кілька місяців, така ж, як сон. Однак, хоча сплячка розвинулася зі сну, між ними є принципові відмінності. Насправді, деякі тварини виведуть себе з глибокої сплячки, щоб заснути, а потім повернутися до сплячки після ситного повтору. Також сон легко і швидко прокидається від, але на пробудження від сплячки потрібно годину (або більше, в залежності від тварини). А як щодо функції глибокого сну в порівнянні зі сном? Основною метою сплячого режиму є економія енергії. Якби сон і сплячка мали енергозбереження як спільну мету, не було б сенсу витрачати енергію на розігрів тіла під час сплячки, щоб створити умови, необхідні для справжнього сну. І все ж деякі тварини, навіть в морозних умовах, роблять саме так.

Температура тіла ховраха може залишатися близькою до нуля градусів Цельсія, температури, при якій вода замерзає, під час сплячки, яка могла тривати всю зиму (рис. 4.14). Однак раз на тиждень, близько двадцяти чотирьох годин, вони виводять себе з сплячки. Це займає деякий час і багато енергії, щоб вони прискорили свій метаболізм і активізували свій мозок. Коли вони впадають в сплячку, їх ЕЕГ є практично рівною лінією, ніби вони не були живими. Пам'ятаєте, дізнавшись про дендрити в главі 2? За перший день зимівлі ховрахи втрачають близько однієї четвертої частини своїх дендритів. Потім, протягом декількох годин після виходу зі сплячки, дендрити відновлюються. Інші фізіологічні функції, такі як вироблення сечі, майже припиняються під час сплячки. Але після розпалювання з тижня сплячки, протягом цього цілодобового періоду при нормальній температурі тіла, вони їдять, пропускають відходи і сплять, перш ніж повернутися до ще одного тижня сплячки.

Якщо я скажу «спляча тварина», яка істота спадає вам на думку? Якщо це ведмідь, ви перебуваєте в хорошій компанії, так як це типова відповідь (рис. 4.15). Можливо, вам здається дивним, що деякі вчені стверджують, що ведмеді не є справжніми зимовими сплячками; інші припускають, що їх просто інша форма сплячки. Температура тіла ведмедя знизиться лише на кілька градусів, навіть коли зовнішня температура нижче замерзання. Ця температура тіла ближче до нормальної дозволяє ведмедям генерувати NREM і REM сон під час сплячки. Вони також залишаються в стані торпору протягом всієї зими, не турбуючись вкладати енергію в щотижневе розпалювання, яке практикує ховрах. Нарешті - і це суттєва відмінність від ховраха, як скажуть вам безстрашні туристи - сплячого ведмедя можна швидко і легко розбудити.