На протяжении многих лет ученые выдвигали гипотезы о том, почему мы спим. Некоторые уверены, что это способ экономии энергии, другие – что он дает возможность «расчистить клеточные отходы» от деятельности мозга. Есть версия, что сон просто заставляет животных лежать неподвижно, позволяя им прятаться от хищников. Недавно исследователи представили доказательства для другой теории: мы спим, чтобы забыть часть той информации, которую узнаем каждый день.
Для того, чтобы узнать и усвоить что-то новое, в головном мозге должны устанавливаться многочисленные связи между нейронами – синапсы. Эти соединения позволяют отправлять и передавать сигналы друг другу быстро и эффективно, и все воспоминания, которые у нас есть, хранятся в таких сетях.
В 2003 году Джулио Тонони (Giulio Tononi) и Кьяра Сирелли (Chiara Cirelli), биологи из Висконсинского университета в Мадисоне, предположили, что синапсы так бурно растут в течение дня, что мозг пытается урезать эти соединения во время сна. В дальнейшем ученые Тонони и Сирелли, наряду с другими исследователями, нашли много косвенных доказательств, которые поддерживали разработанную ими гипотезу синаптического гомеостаза.
В ходе различных экспериментов ученые выяснили, что нейроны могут подрезать синапсы – по крайней мере, в лабораторных условиях. С помощью различных препаратов исследователи стимулировали рост лишних синапсов, что заставило пучки нейронов самостоятельно урезать некоторые отростки.
В качестве еще одного доказательства этой теории учитываются электрические волны, которые излучает мозг. Во время глубокого сна, эти волны уменьшаются. Тонони и Сирелли тогда утверждали, что к таким изменениям приводят сокращения синапсов.
Исследования Тонони и Сирелли показали, что даже короткие периоды сна или бодрствования изменяют синаптическую активность на разных уровнях, то есть заставляют синапсы сокращаться и расти соответственно. Их последняя работа демонстрирует, что повсеместное уменьшение синапсов происходит в мозге мышей, когда они спят.
С 2013 года их коллега, Луиза де Виво (Luisa de Vivo), проводила кропотливое исследование тканей, взятых у мышей в момент, когда некоторые из которых спали, а другие – бодрствовали. Она использовала технику сканирующей электронной микроскопии, чтобы создать трехмерные изображения высокой четкости 6920 синаптических связей в двух разных областях головного мозга – задача, на решение которой потребовалось более четырех лет.
Трехмерный снимок дендритных отростков в коре головного мозга мыши
Исследователи изучили тысячи изображений, чтобы вычислить общую площадь поверхности контакта между нервными окончаниями и дендритными отростками – крошечными выступами, которые служат на синапсах в качестве приемника. Они интересны тем, что разрастаются в тот момент, когда укрепляются синаптические связи. В мозге спящих мышей площадь поверхности контакта оказалась на 18% меньше, чем у бодрствующих. Другими словами, наблюдалось общее снижение числа синаптических соединений. Снижение оказалось неоднородным и ограничивалось небольшими отростками, которые предположительно были вовлечены в обучение.
Другое исследование возглавил Грэм Дайринг (Graham Diering), ученый из Университета Джонса Хопкинса. Доктор Дайринг и его коллеги проверяли гипотезу синаптического гомеостаза, изучая белки в мозге мыши. В одном из экспериментов они создали крошечное отверстие, через которое можно было заглянуть в мозг. Затем добавили химическое вещество, которое подсвечивает белок на поверхности синапсов.
В результате команда Дайринга обнаружила, что сон связан с уменьшением размера дендритных отростков, а также c 20-процентным сокращением субъединиц молекулы АМРА-рецептора, которые исчезали из уменьшенных дендритов. Когда мыши просыпаются, синаптический каркасный белок Homer связывает другие рецепторы и их молекулярных «партнеров» воедино и удерживает их вместе в синапсах под клеточной мембраной. Во время сна сокращенный вариант этого белка Homer1A входит в дендриты и разбирает на части всю систему и удаляет АМРА-рецепторы, ослабляя соединение.
Ученые также создали генетически модифицированных мышей, лишенных гена Homer1A. Эти животные спали так же, как и их однопометные собратья, но их синапсы не изменяли их белки, как это делали синапсы у обычных мышей. Исследование доктора Дайринга предполагает, что сонливость вызывают нейроны, которым необходимо производить Homer1A и направить его на синапсы, чтобы их обрезать.
Чтобы увидеть, как эти срезы влияют на память, ученые провели ряд тестов. Они поместили мышей в комнату, где те получали слабый заряд электрического тока, если они шли по одному участку пола. В ту же ночь команда исследователей вводила химическое вещество, мешающее нейронам обрезать синапсы, в мозг некоторых мышей.
На следующий день мышей вернули обратно в ту же камеру. Обе группы мышей провели большую часть времени неподвижно, так как помнили, что за движением последует удар тока. Но когда исследователи поместили их в другую камеру, они увидели большую разницу. Те мыши, чей мозг не подвергнулся ночью воздействию препарата, обнюхивали помещение с любопытством, в то время как мыши с необрезанными синапсами замерли снова. Доктор Дайринг считает, что мыши из второй группы не смогли сузить свои воспоминания до конкретной камеры, где они получили удар тока. Без ночной обрезки их воспоминания оказались нечеткими.
Последующие опыты Тонони и его коллег продемонстрировали, что процедуру отсечения проводит не каждый нейрон – примерно одна пятая часть синапсов остается нетронутой. Существует предположение, что эти синапсы кодируют «хорошо зарекомендовавшие себя» воспоминания, которые не должны быть изменены.
Некоторые ученые не считают эти результаты доказательством гипотезы синаптического гомеостаза. Трудно сказать, вызваны ли эти изменения в мозге сном или биологическими часами. Кроме того, нельзя однозначно сказать, что сон существует только потому, что мозг может подрезать синапсы во время этого процесса.
Несмотря на все сомнения, новые данные могут изменить взгляд на то, как действуют, например, снотворные на мозг человека. В то время, когда они помогают людям заснуть, они могут вмешиваться в процесс обрезки нейронов, необходимый для формирования воспоминаний. В будущем молекулы препаратов можно будет точно ориентировать таким образом, чтобы синапсы были правильно подрезаны.
Поделиться с друзьями
askeet
Не считаю, что какой-то особенный, но всегда считал, что для того что бы лучше выполнить работу или сдать экзамен, например, нужно хорошо выспаться.
Rikkitik
А лучше — два раза. Во время учёбы если была хоть малейшая возможность, ничего не учила, не повторяла и даже не вспоминала в последний день перед сдачей. Результат стабильно отличный.
Sadler
Потому что забывание — это не единственный эффект сна, также происходит активное обучение структур мозга, перенос информации за день из кратковременной памяти в долговременную. Поэтому учить нечто незадолго до сна бывает полезно: информация о процессе обучения не успевает «оптимизироваться» в кратковременной памяти, потеряв в деталях, в результате обучение идёт эффективнее.
GreenGoblin
Запоминание всего подряд приводит к формированию множества ложных воспоминаний, по крайней мере в искусственных нейросетях. Еще в восьмидесятых придумали способ с этим бороться: заставлять сеть вспоминать случайные вещи и забывать то, что она вспомнила.
Конечно, человек не может вспомнить то, чего не было. Видимо, сырые данные из тех структур мозга, что отвечают за память, перед подачей в сознание каким-то образом интерпретируются и проверяются на благонадежность. Так что накопление паразитных воспоминаний приводит только к уменьшению емкости памяти.
https://en.wikipedia.org/wiki/Reverse_learning
Sadler
AVX
Поддерживаю. Где-то на гиктаймс была статья, в которой рассказывали о механизме возникновения у человека ложных воспоминаний. Можно даже их сформировать извне, другим человеком. В итоге человек сначала будет сомневаться, было ли событие, о котором упомянул другой человек, но постепенно его мозг сам дополнит и придумает недостающие детали, и человек уже после будет сам уверен в каком-то событии, даже если его на самом деле не было.
knagaev
Если не читали, попробуйте, очень интересная подборка историй
"(Нео)сознанное" Леонард Млодинов
AVX
Спасибо, почитаю как-нибудь. Похоже, это тот же Млодинов, что с Хокингом написал «Великий замысел», «Краткая история времени». Читал эти книги (в переводе, правда) — понравилось, интересно, достаточно понятно, и вполне подробно.
knagaev
Насчёт Хокинга не слышал, а вот с Фейнманом он работал.
Наверно тот самый.
В этой книге парадоксальные примеры необъяснимой работы мозга, по теме статьи — памяти.
knagaev
Да, точно нашёл — только «Кратчайшая история времени» (http://flib.nwalkr.tk/b/329705)
«Краткую» Хокинг написал один :)
AVX
Кратчайшую не читал, думал это просто одну и ту же по-разному называют. Оказывается разные книги. Но «Великий замысел» — вдвоём они написали.
P.S. Да и «краткая...» не такая уж и краткая :)
gsaw
Если бы я делал обучающегося робота, я бы тоже наверное предусмотрел возможность перекачки накопленных данных в долговременную память и очистку оперативной. Возможно что бы не возникали инконсистентные состояния во время дефрагментации лучше робота отключать на время этой процедуры. Чтобы и данные не попортить и что бы тот сам себе не навредил внезапно забыв, что делал минуту назад
hokum13
Есть более удачные варианты реализации, от того же разработчика. Киты например. Бодрствуют 24*7. Гораздо лучше приспособлены к среде. На 2-3 месте по уровню интеллекта. Гораздо дешевле. НЕТ КОПЧИКА!!!..
gsaw
Киты могут долго не спать, но все же спят. Может в сравнении с их массой происходит мало событий. Увидят раз в месяц судно и вырубаются тут же, что бы переварить увиденное. Дельфины спят поочередно то одним полушарием, то другим. Это оптимизации под определенные условия.
4ebriking
Встречал исследования, что дельфины (киты) — полушария мозга спят по очереди. И это почти удваивает суммарное время «сна» как общего состояния неактивности. Дорого далась такая адаптация к возможности спать на волнах
Sadler
Куда безопаснее иметь специальный механизм для постепенной переработки данных и постепенного же обновления долговременной памяти. А то за время отключения робота могут и поломать. Да и КПД страдает: робот треть своего срока эксплуатации простаивает, а механика в это время всё равно изнашивается.
potan
Сон нужен для всего.
Я думаю что в древности у общего предка всех животных был некий суточный осциллятор, на который были повешены процессы, которые не удавалось выполнять одновременно. С эволюцией этих процессов накопилось очень много. И теперь всегда можно найти что-нибудь новое, для чего необходим сон и это убедительно доказать.
leshabirukov
Это так, но никто и не сказал, что сон нужен только ЦНС. Интерес темы в том, что сон открывает ещё один путь изучения высшей нервной деятельности.
Хотя даже применительно к ЦНС могут иметь место несколько разных процессов, использующих режим сна. Было исследование, что те же мыши во сне в фазе быстрых движений глаз мысленно бегали по лабиринту. Насколько эти процессы независимы? Сложно всё.
VDG
| подрезать синапсы
Ножечком по шипику? чик-чик. Это переводится как «ослабить».
Читайте нормальную статью на Элементах
Два независимых исследования подтвердили глобальное ослабление синапсов во время сна
lrsi
Господи, що опять? Ответ же давно получен — эксперименты по лишению сна. Помните от чего погибали подопытные животные? Подсказка — с ЦНС у них все в порядке было до самой гибели.
palexab
Может быть это не забывание а оптимизация хранения информации? Потому и число синапсов уменьшается, что связи перестраиваются более оптимальным образом.
mozgosteb
>Недавно исследователи представили доказательства для другой теории мы спим, чтобы забыть часть той информации, которую узнаем каждый день.
А не опровергают ли эту теорию люди с нарушением памяти? Есть люди, которые помнят только несколько последних минут. Получается, они должны либо вообще не нуждаться во сне, либо спать по 2-3 часа.
Revertis
Так что, ничего нового.
formico
Выходит если у некоторых людей синапсы активно росли в течении дня, то и сон для них будет в большей потребности, нежели у тех у кого
ничего не росло, росло меньше. Мой естественный сон 9-10 часов, видимо высока активность синоптическая)pestilent
Когда активно читал LessWrong спал как младенец по 12-14 часов. Хотя, возможно, это просто совпадение и причина была в другом.
tartarelin
Ни синапсами одними. После того, как целый день дрова поколешь, тоже спать спать будешь как убитый.
jusiter
Все таки не от «активности» а от «новизны» информации.