Учени най-накрая установиха защо мозъкът се нуждае от сън

Група учени от областта на изкуствата и науките излязоха с теория, която може да обясни сложността на мозъка, както и значението на съня. За да докажат, че мозъкът трябва периодично да пренастройва операционната си система, изследователите наскоро записаха мозъчната активност на спящи плъхове, за да я публикуват в списание Nature Neuroscience.

Сънят е основно изискване, подобно на храната и напитките. "Без него ще умрете", предупреждава Кийт Хенгън, доцент по биология във Вашингтонския университет в Сейнт Луис.

Но какво се постига със съня? Години наред учените можеха само да твърдят, че сънят намалява умората, което едва ли е задоволително обяснение за една основна човешка потребност.

"Мозъкът е като биологичен компютър", казва Хенген. "Паметта и опитът по време на бодърстване променят кода малко по малко, като бавно отдалечават голямата система от идеалното ѝ състояние. Основната цел на съня е да възстанови оптималното компютърно състояние."

Съавтори на статията са Ралф Весел, професор по физика; Ифан Сю, дипломант по биология, изучаващ неврология; и Ейдън Шнайдер, дипломант в програмата по изчислителна и системна биология, всички в областта на изкуствата и науките.

Весел казва, че физиците са изследвали необходимостта от сън повече от 30 години, но никога не са мечтали, че работата ще стигне до тези висоти. В света на физиката критичността описва сложна система, която съществува в критичната точка между реда и хаоса.

"В едната крайност всичко е напълно редовно. В другата крайност всичко е случайно", казва Весел.

Критичността максимизира кодирането и обработката на информация, което я прави привлекателен кандидат за общ принцип на невробиологията. В изследване от 2019 г. Хенген и Весел установяват, че мозъкът активно работи за поддържане на критичността.

В новата статия екипът предоставя първите преки доказателства, че сънят възстановява изчислителната мощ на мозъка. Това е радикално отклонение от дългогодишното предположение, че сънят трябва по някакъв начин да попълва мистериозните и неизвестни химикали, изчерпани по време на бодърстване.

След статията си от 2019 г. Хенген и Весел изказват теорията, че ученето, мисленето и бодърстването трябва да отдалечат мозъка от критичността и че сънят е в идеална позиция да възстанови системата. "Осъзнахме, че това би било наистина готино и интуитивно обяснение за основната цел на съня", казва Хенген. "Сънят е решение на проблем на системно ниво."

За да проверят теорията си за ролята на критичността в съня, изследователите проследяват пиковете на много неврони в мозъците на млади плъхове, докато те изпълняват нормалните си процедури за сън и събуждане.

"Можете да проследите тези малки каскади от активност през невронната мрежа", казва Хенген. Тези каскади, наричани още невронни лавини, отразяват начина, по който информацията преминава през мозъка, казва той.

"При критичност могат да се появят лавини с всякакви размери и продължителност. Встрани от критичността системата става предубедена към само малки лавини или само към големи лавини. Това е аналогично на писането на книга и възможността да се използват само кратки или дълги думи. "Както се предвиждаше, при плъховете, които току-що се бяха събудили от възстановителен сън, се появиха лавини с всякакви размери. В хода на събуждането каскадите започнаха да се изместват към все по-малки размери.

Изследователите установяват, че могат да предскажат кога плъховете ще заспят или ще се събудят, като проследят разпределението на лавините. Когато размерите на каскадите намалели до определена точка, сънят не бил далеч.

"Резултатите предполагат, че всеки момент на бодърстване отдалечава съответните мозъчни вериги от критичността, а сънят помага на мозъка да се възстанови", казва Хенген.

Когато в края на 80-те години на миналия век физиците за първи път разработват концепцията за критичност, те разглеждат купчини пясък върху решетка, подобна на шахматна дъска - сценарий, който на пръв поглед е далечен от функциите на мозъка. Но тези пясъчни купчини дадоха важна информация, казва Уесел.

Ако върху решетката се пуснат хиляди зрънца, следвайки прости правила, купчините бързо достигат критично състояние, при което започват да се случват интересни неща. Големи и малки лавини могат да започнат без предупреждение, а купчините в един квадрат започват да се преливат в другите. "Цялата система се организира в нещо изключително сложно", казва той.

Невронните лавини, които се случват в мозъка, много приличат на лавините от пясък върху решетка, каза Весел. Във всеки случай каскадите са отличителен белег на система, която е достигнала най-сложното си състояние.

Според Хенген всеки неврон е като отделна песъчинка, която следва много основни правила. Невроните по същество са превключватели за включване и изключване, които решават дали да се задействат, или не, въз основа на преки входящи данни. Ако милиарди неврони могат да достигнат критична точка - сладкото място между твърде много ред и твърде много хаос - те могат да работят заедно, за да създадат нещо сложно и чудно.

"Критичността максимизира куп характеристики, които звучат много желателно за един мозък", казва Хенген.

Новото изследване е мултидисциплинарно. Хенген, Сю и Шнайдер проектират експериментите и предоставят данните, а Весел се присъединява към екипа, за да приложи математическите уравнения, необходими за разбирането на съня в рамките на критичността. "Това е едно прекрасно сътрудничество между физиката и биологията", каза Весел.