Читать книгу Dlaczego śpimy - Matthew Walker - Страница 5

Dylatacja czasu i czego nauczyliśmy się od pewnego dziecka w 1952 roku

Wchodzę późno wieczorem do salonu w moim domu, pogrążony w rozmowie z przyjacielem. Widzę bliską osobę (nazwijmy ją Jessicą), która leży nieruchomo na sofie. Nie zerka w moją stronę, jej ciało spoczywa w pozycji horyzontalnej z głową przechyloną na bok. Natychmiast odwracam się do przyjaciela i mówię: „Ciiii, Jessica śpi”. Skąd to wiem? Ustalenie tego faktu zajęło mi ułamek sekundy, mimo to nie miałem najmniejszych wątpliwości, w jakim stanie znajduje się Jessica. Dlaczego nie uznałem na przykład, że Jessica pogrążyła się w śpiączce albo, co gorsza, umarła?

Samoidentyfikowanie snu

Wydany w ułamku sekundy werdykt, że Jessica śpi, był zapewne poprawny. Być może przypadkowo potwierdziłem go, przewracając coś i ją budząc. Z czasem nabraliśmy niezwykłej wprawy w dostrzeganiu sygnałów świadczących o tym, że inny człowiek śpi. Są one tak niezawodne, że naukowcy stworzyli zbiór obserwowalnych właściwości, które wskazują na sen u ludzi i innych gatunków.

Scenka z Jessicą zawiera niemal wszystkie ze wspomnianych właściwości. Po pierwsze, śpiące organizmy przyjmują typową pozycję. U zwierząt lądowych jest to zwykle pozycja horyzontalna, jak w przypadku Jessiki leżącej na kanapie. Po drugie (związane z pierwszym), u śpiących organizmów spada napięcie mięśniowe. Najlepiej widać to po rozluźnieniu szkieletowych mięśni posturalnych (antygrawitacyjnych), czyli tych, które utrzymują nas w pozycji pionowej, zapobiegając przewróceniu się na podłogę. Kiedy w czasie lekkiego albo głębokiego snu w tych mięśniach spada napięcie, ciało „opada”. Śpiący organizm dopasowuje się kształtem do powierzchni, na której akurat spoczywa, czego najlepszą oznaką jest przechylona głowy Jessiki. Po trzecie, śpiące organizmy nie zdradzają oznak chęci prowadzenia komunikacji ani reagowania na otoczenie. Jessica w żaden sposób nie odniosła się do pojawienia się w pokoju dwóch nowych osób, co uczyniłaby normalnie w stanie czuwania. Czwartą podstawową cechą snu jest łatwość, z jaką można go przerwać, co odróżnia go od śpiączki, znieczulenia, hibernacji i śmierci. Jak pamiętacie, wystarczyło przewrócić coś w pokoju, żeby Jessica się obudziła. Po piąte, jak ustaliliśmy w poprzednim rozdziale, sen pojawia się w przewidywalnych porach w 24-godzinnym cyklu pod wpływem rytmu dobowego wyznaczanego przez jądro nadskrzyżowaniowe w mózgu. Ludzie prowadzą dzienny tryb życia, przez co zwykle pozostają w stanie czuwania w ciągu dnia, a śpią w nocy.

Pozwólcie, że zadam wam jeszcze inne pytanie: skąd wiecie, że sami spaliście? Tego rodzaju samooceny dokonujemy przecież jeszcze częściej. Jeżeli nie przydarzy się jakieś nieszczęście, każdego ranka powracacie do świata ze świadomością, że przed chwilą spaliście17. Jesteście tak mocno wyczuleni w tej kwestii, że możecie nawet pokusić się o ocenę, czy wasz sen był udany. Jest to zresztą jeden ze sposobów mierzenia jakości snu – własna fenomenologiczna ocena różniąca się od oznak wykorzystywanych do rozpoznawania snu u innych.

Również w tym wypadku dysponujemy uniwersalnymi wskaźnikami, które pozwalają przekonująco stwierdzić, czy spaliśmy. Konkretnie dwoma. Pierwszym jest utrata świadomości świata zewnętrznego. Przestajemy postrzegać nasze otoczenie, przynajmniej wprost. Tak naprawdę nasze uszy nadal „słyszą”, a oczy, choć zamknięte, nadal „widzą”. To samo można powiedzieć o takich narządach czuciowych, jak nos (zapach), język (smak) i skóra (dotyk).

Zmysły wciąż wysyłają te sygnały do centrum mózgu, tyle że w czasie snu tam właśnie kończy się ich podróż – w strefie gromadzenia danych czuciowych. Dalsze przesyłanie sygnałów blokuje zapora w obszarze zwanym wzgórzem. Jest to gładki, owalny obiekt niewiele mniejszy od cytryny, który pełni funkcję bariery czuciowej. Właśnie wzgórze decyduje o tym, które sygnały czuciowe przejdą dalej, a które zostaną zatrzymane. Jeżeli zostaną przepuszczone, trafią do kory w górnej części mózgu, gdzie są postrzegane przez świadomość. Zamykając przejście w chwili rozpoczęcia zdrowego snu, wzgórze odcina mózg od informacji dostarczanych przez zmysły, uniemożliwiając ich przesyłanie do kory. W rezultacie człowiek przestaje świadomie postrzegać informacje przesyłane nieustannie przez zewnętrzne narządy czuciowe i z tą chwilą traci normalny dla stanu czuwania kontakt z otaczającym go światem. Inaczej mówiąc, człowiek pogrąża się we śnie.

Drugim wskaźnikiem wykorzystywanym do ustalenia, czy sami spaliśmy, jest poczucie zakłócenia ciągłości czasu, którego doświadczamy na dwa sprzeczne sposoby. Na najbardziej podstawowym poziomie we śnie tracimy świadome poczucie upływu czasu, co przekłada się na powstanie próżni chronometrycznej. Przypomnijcie sobie sytuację, kiedy po raz ostatni zasnęliście w samolocie. Po przebudzeniu prawdopodobnie spojrzeliście na zegarek, żeby sprawdzić, jak długo spaliście. Dlaczego? Ponieważ w czasie snu przestaliście jednoznacznie postrzegać upływ czasu. Właśnie to poczucie wyrwy w czasie sprawia, że po przebudzeniu nabieracie pewności, że musieliście się na jakiś czas pogrążyć we śnie.

Ale choć w czasie snu tracicie świadomą orientację w upływie czasu, na poziomie nieświadomym czas nadal jest monitorowany przez mózg z niebywałą precyzją. Z pewnością zdarzyło wam się kiedyś, że musieliście się obudzić rano o konkretnej godzinie – na przykład żeby zdążyć na poranny samolot. Przed pójściem do łóżka ustawiliście budzik na 6.00. Co niezwykłe, obudziliście się sami o 5.58, czyli tuż przed budzikiem. Wygląda na to, że wasz umysł nawet w czasie snu potrafił odmierzać czas z niebywałą precyzją, tyle że – jak w przypadku wielu operacji zachodzących w mózgu – nie mieliście w czasie snu bezpośredniego dostępu do tego precyzyjnego zegara. Wszystko rozgrywa się wtedy na poziomie nieświadomości, a na jej powierzchnię wydostaje się tylko to, co potrzebne.

Trzeba tu wspomnieć o jeszcze jednym zaburzeniu czasu – o jego dylatacji w marzeniach sennych. Czas w naszych snach płynie inaczej niż w rzeczywistości. Najczęściej się wydłuża. Wyobraźcie sobie, że naciskacie przycisk „Drzemka” na budziku, który zadzwonił, przerywając wam jakiś sen. Pozwalacie sobie na jeszcze pięć minut rozkosznego snu. Natychmiast zapadacie w niego ponownie, a po pięciu minutach budzik sumiennie rozdzwania się ponownie. Tyle że wam mogło się wydawać, że śniliście przez godzinę, może nawet dłużej. W odróżnieniu od fazy snu, w której nie występują marzenia senne i tracicie całkowicie poczucie czasu, w tym wypadku zachowujecie doświadczenie jego upływu. Tyle że nie jest ono zbyt precyzyjne – najczęściej sen wydaje się rozciągnięty albo dłuższy w porównaniu z rzeczywistym czasem.

Mimo że nie rozumiemy w pełni powodów tej dylatacji, zarejestrowana niedawno aktywność komórek mózgowych szczurów podsuwa intrygujące wskazówki. W eksperymencie pozwolono szczurom biegać po labiryncie. Kiedy zwierzęta uczyły się jego rozkładu, badacze obserwowali charakterystyczne wzory aktywności komórek mózgowych. Uczeni nieprzerwanie rejestrowali aktywność szczurzych mózgów, nawet kiedy te następnie zasnęły. Podsłuchiwali mózgi w różnych stadiach snu, w tym w fazie szybkich ruchów gałek ocznych (REM), kiedy u ludzi pojawia się większość marzeń sennych.

Pierwszym zaskakującym wynikiem było wielokrotne powtarzanie się w czasie snu charakterystycznego wzoru aktywności komórek mózgowych, który wystąpił wcześniej podczas uczenia się rozkładu labiryntu. Oznacza to, że wspomnienia te były wtedy „odtwarzane” na poziomie aktywności komórek mózgowych. Drugim, jeszcze bardziej zaskakującym odkryciem była prędkość tego odtwarzania. W czasie fazy REM wspomnienia odtwarzały się znacznie wolniej: dwu- albo czterokrotnie wolniej niż w stanie czuwania, kiedy szczury uczyły się labiryntu. To powolne powtórzenie wydarzeń minionego dnia jest najlepszym dostępnym świadectwem, które wyjaśnia rozciąganie się naszych ludzkich marzeń sennych w fazie REM. Spowolnienie czasu neuronalnego może być powodem, dla którego wydaje nam się, że sny trwają znacznie dłużej, niżby to wynikało ze wskazań budzika.

Odkrycie niemowlaka – dwa rodzaje snu

Mimo że każdy z nas stwierdził kiedyś, że ktoś inny jest pogrążony we śnie albo że sam obudził się właśnie ze snu, prawdziwie naukowa weryfikacja snu wymaga zarejestrowania za pomocą elektrod trzech rodzajów sygnałów: (1) aktywności fal mózgowych, (2) ruchów gałek ocznych, (3) aktywności mięśni. Badanie tych sygnałów określa się zbiorczym terminem „polisomnografii” (PSG), który oznacza odczytanie (grafia) snu (somno) za pomocą różnorodnych (poli) sygnałów.

Właśnie za pomocą tych miar w 1952 roku student Eugene Aserinsky i profesor Nathaniel Kleitman z Uniwersytetu Chicagowskiego (ten drugi zasłynął wspomnianym eksperymentem w Jaskini Mamuciej, który omówiliśmy w rozdziale 2) dokonali prawdopodobnie najważniejszego odkrycia w dziedzinie snu.

Aserinsky prowadził drobiazgową dokumentację ruchów gałek ocznych u niemowląt w ciągu dnia i nocy. Zauważył, że w czasie snu występują okresy, kiedy oczy gwałtownie ruszają się na boki pod zamkniętymi powiekami. Co więcej, z tymi fazami snu zbiega się zawsze ogromna aktywność fal mózgowych, niemal identyczna z obserwowaną w stanie pełnego rozbudzenia. Między tymi ruchliwymi fazami aktywnego snu mieściły się dłuższe okresy, kiedy oczy pozostawały nieruchome. Dochodziło wtedy również do uspokojenia fal mózgowych.

Jakby tego było mało, Aserinsky zauważył, że obie fazy snu (sen z ruchami gałek ocznych i sen bez ruchów gałek ocznych) układały się w trwający przez całą noc w miarę regularny naprzemienny wzór.

Jego mentor, Kleitman, z typowym dla swojej profesji sceptycyzmem, wolał wstrzymać się z uznaniem prawdziwości tych wyników do czasu, aż uda się je powtórzyć. A że miał skłonność do włączania najbliższych osób do swoich eksperymentów, wybrał do tego celu swoją dopiero co urodzoną córkę Ester. Obserwacje się potwierdziły. Kleitman i Aserinsky zdali sobie wtedy sprawę z wagi tego odkrycia: ludzie nie zapadają po prostu w sen, ale przechodzą przez cykle dwóch całkowicie odmiennych rodzajów snu. Fazom snu nadali nazwy związane z wyróżniającymi je zachowaniami gałek ocznych: NREM, czyli sen o wolnych ruchach gałek ocznych (non-rapid eye movement), i REM, czyli sen o szybkich ruchach gałek ocznych (rapid eye movement).

Wraz z innym studentem Kleitmana, Williamem Dementem, wykazali następnie, że sen REM, w którym aktywność mózgu jest niemal identyczna z aktywnością obserwowaną w stanie czuwania, wiąże się z doświadczeniami, które nazywamy marzeniami sennymi (dlatego często nazywamy go fazą marzeń sennych).

Sen NREM został w późniejszych latach podzielony na kolejne cztery odrębne fazy, bez większego polotu nazwane etapami 1–4 (jako badacze snu odznaczamy się prawdziwą kreatywnością, nieprawdaż?), w których dochodzi do jego stopniowego pogłębiania. Etapy trzeci i czwarty są najgłębszymi fazami snu NREM, przy czym tę „głębokość” definiujemy jako wzrost trudności w wybudzeniu osoby pogrążonej w trzecim i czwartym etapie snu NREM w porównaniu z etapami pierwszym i drugim.

Cykl snu

W kolejnych latach po pionierskim eksperymencie z udziałem Ester zdołaliśmy ustalić, że obie fazy snu – NREM i REM – toczą przez całą noc nieustanną walkę o dominację nad mózgiem. W tej wojnie zwycięzca zmienia się co 90 minut18. Najpierw rządzi sen NREM, potem zastępuje go sen REM. Ledwie ta walka się zakończy, rozpoczyna się od nowa i powtarza co 90 minut. Prześledzenie tej niezwykłej sekwencji przypływów i odpływów pozwala zobaczyć piękną, cykliczną architekturę snu, którą przedstawia wykres 8.

Wykres 8. Architektura snu.

Na osi pionowej wyróżniono różne stany mózgu: od czuwania na górze, przez sen REM, do coraz głębszych etapów snu NREM. Na osi poziomej zaznaczono kolejne godziny w nocy, poczynając od jedenastej wieczorem po lewej stronie, kończąc na siódmej rano po prawej. Formalnie rzecz biorąc, wykres ten nazywany jest hipnogramem (wykresem snu).

Gdybym nie umieścił na wykresie pionowych przerywanych linii, moglibyście zaprotestować, że nie widzicie regularnego, 90-minutowego cyklu. A przynajmniej nie takiego, jakiego spodziewaliście się po wcześniejszym opisie. Wynika to z kolejnej osobliwości snu: asymetryczności faz snu. Choć jest prawdą, że w ciągu nocy co 90 minut przeskakujemy między snem NREM i REM, stosunek długości snu NREM do snu REM ulega w kolejnych cyklach zasadniczej zmianie. W pierwszej połowie nocy znaczną część 90-minutowego cyklu zajmuje sen NREM, a tylko niewielką sen REM, co dobrze widać na przykładzie pierwszego cyklu na wykresie. Kiedy jednak wkraczamy w drugą połowę nocy, równowaga ulega odwróceniu i większość czasu zajmuje sen REM, a bardzo niewielką, jeżeli w ogóle, sen NREM. Cykl piąty jest znakomitym przykładem snu zdominowanego przez fazę REM.

Dlaczego Matka Natura stworzyła taki dziwny, skomplikowany wzór kolejnych etapów snu? Dlaczego raz za razem przeskakujemy między snem NREM i snem REM? Dlaczego nie uzyskujemy najpierw całego potrzebnego snu NREM, a dopiero potem nie przechodzimy do kolejnej koniecznej fazy REM? Albo na odwrót? Jeżeli powodem jest ryzyko, że zwierzę prześpi tylko część nocy, dlaczego stosunek obu typów snu nie utrzymuje się na tym samym poziomie we wszystkich cyklach; dlaczego szalki nie znajdują się w równowadze, tylko najpierw na jednej ląduje więcej odważników, a w miarę upływu nocy są one przekładane na drugą? Z czego wynika ta zmienność? Stworzenie tak zawiłego systemu i wcielenie go w życie wydaje się zwyczajnie niepotrzebnym ewolucyjnym zachodem.

W środowisku naukowym nie istnieje konsensus co do tego, dlaczego nasz sen (podobnie jak sen wszystkich innych ssaków i ptaków) przybiera postać takich powtarzalnych, choć radykalnie asymetrycznych cykli, niemniej przedstawiono kilka konkurencyjnych teorii. Wyjaśnienie zaproponowane przeze mnie mówi, że nierównomierna przepychanka między snem NREM i REM jest konieczna do zgrabnego przebudowywania i uaktualnienia naszych obwodów neuronalnych, a przez to do zarządzania skończoną przestrzenią magazynową w mózgu. W związku z ograniczoną liczbą neuronów i połączeń między nimi w obszarach zajmujących się pamięcią nasze mózgi muszą znajdować „złoty środek” między zachowywaniem starych informacji i tworzeniem miejsca na nowe. Dokonanie takiego remanentu wymaga zidentyfikowania wspomnień świeżych i istotnych oraz tych, które częściowo się pokrywają, dublują albo zwyczajnie przestały mieć znaczenie.

Jak się przekonamy w rozdziale 6, kluczową funkcją snu NREM, który dominuje w pierwszej części nocy, jest odsiewanie i usuwanie zbędnych połączeń neuronalnych. Z kolei wypełniona marzeniami sennymi faza REM, która dominuje później w nocy, przyczynia się do wzmacniania tego rodzaju powiązań.

Wiedza na temat obu procesów pozwala nam na sformułowanie wstępnego wyjaśnienia, skąd bierze się naprzemienność obu rodzajów snu i dlaczego w tych cyklach dominuje początkowo sen NREM, a REM zaczyna rządzić dopiero w drugiej części nocy. Wyobraźcie sobie, że zabieramy się za stworzenie rzeźby z bloku gliny. Zaczniemy od umieszczenia dużej ilości materiału na cokole (będzie to cała masa przechowywanych wspomnień autobiograficznych, nowych i starych, składana co noc do snu). Następnie należy dokonać wstępnego usunięcia dużych ilości niepotrzebnego materiału (temu służą długie odcinki snu NREM), a dopiero potem można na chwilę zająć się wyodrębnieniem pierwszych detali (krótkie okresy snu REM). Po zakończeniu pierwszej sesji powracają dłonie uzbrojone w dłuto (kolejna faza snu NREM), a po niej znów pojawia się konieczność dopracowania struktur, które się wyłoniły (nieco dłuższy sen REM). Po kilku cyklach odwraca się zapotrzebowanie na czynności. Ponieważ wszystkie główne części zbędnego materiału zostały odrąbane z bloku, a na postumencie pozostała tylko glina tworząca rzeźbę, rzeźbiarz musi skoncentrować się na narzędziach, które pomogą mu w utrwaleniu istniejących elementów i podkreśleniu kształtów pozostałej bryły (występuje głównie zapotrzebowanie na umiejętności, którymi dysponuje sen REM, podczas gdy sen NREM nie ma już zbyt wiele do zrobienia).

W ten sposób sen w elegancki sposób rozwiązuje kryzys magazynowy w naszej pamięci: początkowo zaprzęga do pracy ociosujące dłuto fazy NREM, a po nich rysik fazy REM wygładza, tworzy połączenia i dodaje detale. Ponieważ nasze doświadczenie życiowe ulega nieustannym przemianom, wymagając niekończących się uaktualnień katalogu pamięci, autobiograficzna rzeźba przechowywanych wspomnień nigdy nie może zostać uznana za ukończoną. Mózg potrzebuje co noc nowej porcji snu z jego odmiennymi etapami, aby zaktualizować sieci pamięciowe o wydarzenia poprzedniego dnia. Jest to jedno (z wielu, jak podejrzewam) wyjaśnień cyklicznej natury snu NREM i REM oraz nierównowagi ich rozkładu w ciągu nocy.

W profilu snu, w którym faza NREM dominuje w pierwszej części nocy, a faza REM we wczesnych godzinach porannych, tkwi pewne zagrożenie, z którego większość ludzi nie zdaje sobie sprawy. Powiedzmy, że kładziemy się do łóżka o północy, ale zamiast wstać o ósmej, po pełnych ośmiu godzinach snu, musimy obudzić się o szóstej z powodu zaplanowanego na wczesną godzinę spotkania albo na przykład wczesnego treningu, którego wymaga od nas trener. Ile procent snu stracimy? Logiczna odpowiedź brzmiałaby: 25 procent, jako że budząc się o szóstej, skrócimy sobie normalny ośmiogodzinny sen o dwie godziny. Tyle że nie będzie to do końca prawda. Ponieważ nasz mózg rozpisuje większość snu REM na ostatnią część nocy, czyli w tym wypadku późne godziny poranne, stracimy 60–90 procent snu REM, mimo że będziemy spali tylko 25 procent krócej. Analogicznie, jeśli obudzimy się o ósmej, ale położymy do łóżka dopiero o drugiej w nocy, stracimy znaczny odsetek snu NREM. Podobnie jak w przypadku źle zrównoważonej diety, w której spożywamy tylko węglowodany, ale pozostajemy niedożywieni z powodu braku białek, ograbianie mózgu z fazy snu NREM albo REM – każda z nich pełni niezwykle ważną, choć odmienną funkcję w mózgu i ciele – przerodzi się w dolegliwości fizyczne i psychiczne, które omówimy w dalszych rozdziałach. Snu nie da się skracać z obu końców naraz – ani nawet z jednego – nie płacąc za to wysokiej ceny.

W jaki sposób mózg wytwarza sen

Jak wyglądałyby wasze fale mózgowe, gdybym dziś wieczorem przyprowadził was do mojego laboratorium na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley, przyczepił wam elektrody do głowy i twarzy, a potem pozwolił zasnąć? Czym różniłaby się aktywność mózgu od tej, której doświadczacie teraz, czytając to zdanie i nie śpiąc? Jak za pomocą zmian w aktywności mózgu można wyjaśnić, dlaczego w jednym stanie (czuwania) macie świadomość, w drugim ją tracicie (sen NREM), a w trzecim odzyskujecie, tyle że wypełnioną urojeniami (sen REM)?

Wykres 9. Fale mózgowe w stanie czuwania i we śnie.

Zakładając, że jesteście zdrowym młodym dorosłym albo osobą w średnim wieku (sen w dzieciństwie, w wieku starszym i w chorobie omówimy dalej), zarejestrowałbym w waszym mózgu trzy rodzaje aktywności, których odzwierciedleniem są pofalowane linie z wykresu 9. Każda z nich przedstawia półminutowy odcinek aktywności mózgu w trzech różnych stanach: (1) czuwania, (2) głębokiego snu NREM i (3) snu REM.

Przed położeniem się do łóżka mózg przejawia frenetyczną aktywność, co oznacza, że fale mózgowe wykonują 30–40 cykli na sekundę (skoków w górę i w dół), co przypomina bardzo szybkie uderzenia bębna. Mówimy, że aktywność mózgu odznacza się wtedy „wysoką częstotliwością”. Co więcej, fale te nie układają się w żaden przewidywalny wzór – bęben bije nie tylko szybko, ale i nieregularnie. Gdybym poprosił was o przewidzenie (na podstawie tego, co usłyszeliście wcześniej) kilku kolejnych sekund jego aktywności za pomocą bębnienia palcami do rytmu, nie bylibyście w stanie tego zrobić. Fale mózgowe są tak asynchroniczne, że nie da się z nich wyodrębnić żadnego rytmu. Nawet gdybym przekształcił je na dźwięki (co zrobiłem w moim laboratorium w ramach projektu udźwiękowienia snu, i co było dość upiornym doświadczeniem), nie bylibyście w stanie do nich zatańczyć. Tym właśnie charakteryzuje się stan pełnego przebudzenia: wysoką częstotliwością i chaotycznością fal mózgowych.

Spodziewaliście się być może, że w stanie czuwania wasze fale mózgowe będą generalnie odznaczały się piękną spójnością i dużą synchronicznością odpowiadającą uporządkowanym wzorom waszych (przeważnie) logicznych myśli. Obserwowany w rzeczywistości elektryczny chaos tłumaczymy tym, że różne części mózgu przetwarzają różne fragmenty informacji w różnych chwilach i na różne sposoby. Po ich zsumowaniu powstaje z pozoru nieskoordynowany wzór aktywności, który rejestrują elektrody umieszczone na głowie.

Wyobraźcie sobie duży stadion piłkarski wypełniony tysiącami kibiców. Pośrodku stadionu wieszamy mikrofon. Poszczególni ludzi zgromadzeni na stadionie odpowiadają komórkom mózgu; siedzą w różnych sektorach podobnie jak komórki w mózgu są pogrupowane w różne obszary. Mikrofon jest elektrodą umieszczoną na czubku głowy – urządzeniem nagrywającym.

Przed rozpoczęciem meczu wszyscy ludzie zgromadzeni na stadionie rozmawiają o różnych rzeczach w nieskoordynowany sposób. Nie prowadzą jednej zsynchronizowanej rozmowy. Indywidualne rozmowy są wręcz zdesynchronizowane. W rezultacie nasz mikrofon rejestruje chaotyczny gwar, w którym brakuje wyraźnego, ujednoliconego tonu.

Kiedy na głowie badanego umieszczamy elektrodę, jak to się czyni w moim laboratorium, mierzy ona sumaryczną aktywność wszystkich neuronów znajdujących się pod czaszką. Neurony te zajmują się przetwarzaniem różnych strumieni informacji (dźwięków, obrazów, zapachów, odczuć dotykowych, emocji) w różnych momentach i w różnych obszarach poniżej elektrody. Przetwarzanie takich ilości informacji na tak różne sposoby oznacza, że fale mózgowe są bardzo szybkie, frenetyczne i chaotyczne.

Gdybyście położyli się do łóżka w moim laboratorium, po zgaszeniu światła i kilkakrotnym przewróceniu się z boku na bok, opuścilibyście brzegi świadomości i wypłynęli w odmęty snu. Najpierw musielibyście pokonać płycizny lekkiego snu NREM: etapu 1 i 2. Potem zapuścilibyście się na głębsze wody etapów 3 i 4 NREM, które określane są zbiorczą nazwą „snu wolnofalowego”. Spójrzcie raz jeszcze na wykres 9 przedstawiający zapis fal mózgowych – w szczególności na środkową linię – a zrozumiecie dlaczego. W głębokim, wolnofalowym śnie tempo aktywności mózgu drastycznie spada, nawet do zaledwie dwóch–czterech fal na sekundę: to dziesięć razy wolniej od szaleńczego tempa aktywności mózgu w stanie czuwania.

Co równie niezwykłe, wolne fale NREM są znacznie bardziej synchroniczne i przewidywalne od tych występujących w stanie czuwania. Są tak regularne, że można przewidzieć kilka następnych taktów elektrycznej melodii snu NREM na podstawie dźwięków, które usłyszeliśmy wcześniej. Gdybym miał przekształcić rytmiczną aktywność waszego mózgu pogrążonego w śnie NREM w dźwięki i puścić je wam po przebudzeniu rano (co również robiłem w czasie wspomnianego projektu udźwiękowienia snu), potrafilibyście wychwycić w nich rytm i kołysać się delikatnie do tego powolnego, pulsującego taktu.

Kołysząc się do pulsowania fal mózgowych zarejestrowanych w czasie głębokiego snu, zwrócilibyście uwagę na coś jeszcze. Od czasu do czasu na ten powolny falujący rytm nakładałby się nowy dźwięk. Byłby krótki, zaledwie kilkusekundowy, ale zawsze pojawiałby się w akcentowanej części cyklu powolnego falowania. Wasze uszy zarejestrowałyby go jako szybki tryl, przypominający nieco silne wibrujące „r” z niektórych języków, na przykład hindi czy hiszpańskiego, albo bardzo szybkie mruczenie zadowolonego kota.

Jest to tak zwane wrzeciono snu – dynamiczny skok aktywności mózgu przyozdabiający zwykle końcówkę wolnej fali. Wrzeciona snu występują w etapach głębokiego i płytkiego snu NREM, czyli zanim jeszcze powolne, potężne fale mózgowe głębokiego snu zaczną się formować i dominować w aktywności mózgu. Pełnią wiele funkcji, między innymi nocnych strażników chroniących ciągłość snu i osłaniających mózg przed dźwiękami z zewnątrz. Im potężniejsze i częstsze są poszczególne wrzeciona snu, tym skuteczniej odgradzają śpiącego od zewnętrznych dźwięków, które w przeciwnym razie by go obudziły.

Wróćmy do wolnych fal charakterystycznych dla głębokiego snu. Dokonaliśmy również fascynującego odkrycia na temat miejsca ich pochodzenia i tego, w jaki sposób przetaczają się po powierzchni mózgu. Przytknijcie sobie palec do skóry między oczami, tuż nad nosem. Następnie przesuńcie go w górę czoła na odległość około pięciu centymetrów. Kiedy położycie się później spać, właśnie w tym miejscu będą powstawały fale mózgowe związane z najgłębszym snem: dokładnie pośrodku płatów czołowych. Miejsce to można nazwać epicentrum albo ogniskiem, w którym rodzi się większa część głębokiego, wolnofalowego snu. Fale te nie rozchodzą się w idealnych okręgach. Niemal wszystkie fale mózgowe związane z głębokim snem przemieszczają się w jedną stronę: z przedniej części mózgu do tylnej. Przypominają fale dźwiękowe emitowane przez głośnik, które rozchodzą się głównie w jednym kierunku (przed głośnikiem jest zawsze głośniej niż za nim). Podobnie jak fale dźwiękowe rozchodzące się na dużej przestrzeni, powolne fale emitowane przez mózg stopniowo tracą siłę, przemieszczając się ku tyłowi mózgu; od niczego się nie odbijają ani nie wracają.

Kiedy w latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych naukowcy zaczęli mierzyć wolne fale, przyjęto zrozumiałe założenie: powolne, jakby leniwe, tempo elektrycznej aktywności mózgu musiało odzwierciedlać stan jego bezczynności czy wręcz uśpienia. Była to uzasadniona teza, biorąc pod uwagę, że najgłębsze, najwolniejsze fale mózgowe z fazy NREM przypominają czasami te obserwowane u pacjentów w stanie znieczulenia czy nawet niektórych odmianach śpiączki. Tyle że założenie to okazało się całkowicie nieprawdziwe. Jest dokładnie na odwrót. W głębokim śnie NREM obserwujemy tak naprawdę współpracę między neuronami na niespotykaną kiedy indziej skalę. Tysiące komórek mózgowych postanawiają się zjednoczyć w zdumiewającym akcie samoorganizacji i wspólnie „zaśpiewać” albo rozbłysnąć. Ilekroć mam okazję obserwować fascynujący akt neuronalnej synchronii zachodzący nocą w moim laboratorium badawczym, odczuwam wielką pokorę: sen jest doprawdy zjawiskiem godnym podziwu.

Wracając do analogii z mikrofonem zawieszonym na stadionie piłkarskim, przyjrzyjmy się rozgrywanemu właśnie meczowi snu. Widownia – tysiące komórek mózgowych – przerzuciła się z indywidualnych pogaduszek, którym oddawała się przed meczem (czyli w stanie czuwania), w stan zjednoczenia (głęboki sen). Głosy poszczególnych ludzi łączą się w miarowe, przypominające mantrę skandowanie – skandowanie głębokiego snu NREM. W pewnej chwili wszyscy jednocześnie wykrzykują coś na całe gardło, tworząc nagły skok aktywności mózgu, a potem na kilka sekund pogrążają się w milczeniu, które obserwujemy jako głęboką, długą dolinę fali. Za pomocą mikrofonu zawieszonego na stadionie wychwytujemy wyraźnie rozpoznawalny ryk widowni, po którym następuje długa przerwa na wzięcie oddechu. Uświadomiwszy sobie, że takie rytmiczne incantare głębokiego wolnofalowego snu NREM jest tak naprawdę przejawem niezwykle aktywnego, starannie skoordynowanego stanu mózgowej jedności, naukowcy musieli porzucić wstępne hipotezy na temat głębokiego snu jako stanu półhibernacji albo otępienia.

Zrozumienie tej zadziwiającej elektrycznej harmonii, która rozchodzi się falami po powierzchni mózgu setki razy każdej nocy, pomaga również wyjaśnieniu utraty świadomości świata zewnętrznego. Proces ten zaczyna się pod powierzchnią mózgu, we wzgórzu. Jak może pamiętacie, kiedy zasypiamy, wzgórze – wrota sensoryczne umiejscowione głęboko w środku mózgu – odcinają przesył sygnałów pochodzących od zmysłów (słuchu, wzroku, dotyku i tak dalej) do górnej części mózgu, czyli kory. Przecinając zmysłowe więzi ze światem zewnętrznym, nie tylko tracimy świadomość (co tłumaczy, dlaczego w głębokim śnie NREM nie występują marzenia senne ani nie mamy poczucia upływającego czasu), ale umożliwiamy również korze „wyciszenie się” w jej domyślny tryb funkcjonowania. A jest nim właśnie głęboki sen wolnofalowy, czyli aktywny, intencjonalny, ale wysoce zsynchronizowany stan aktywności. Stan przypominający nocną medytację mózgu, choć chciałbym zwrócić uwagę, że występujące w nim fale mózgowe różnią się znacząco od fal powstających w czasie świadomej medytacji.

W tym szamańskim stanie głębokiego snu NREM można znaleźć istną skarbnicę psychicznych i fizycznych korzyści dla (odpowiednio) mózgu i ciała – przeanalizujemy je dokładnie w rozdziale 6. Na tym etapie naszej opowieści warto jednak wspomnieć o jednej z korzyści płynących dla mózgu – zachowywaniu wspomnień – jako że stanowi elegancki przykład potencjału tkwiącego w głębokich, powolnych falach mózgowych.

Zwróciliście zapewne kiedyś uwagę podczas podróży samochodem, że sygnał stacji FM regularnie zanika, tymczasem stacje AM zachowują cały czas mocny sygnał. Być może dojechaliście w jakieś odludne miejsce i próbowaliście znaleźć nową rozgłośnię FM. Po kilku nieudanych próbach przełączyliście się na pasmo AM, gdzie znaleźliście kilka dostępnych rozgłośni. Wyjaśnienie tkwi w samych falach radiowych i dwóch różnych prędkościach transmisji AM i FM. System FM korzysta z fal radiowych o większej częstotliwości, które oscylują wielokrotnie częściej na sekundę niż fale radiowe AM. Jedną z przewag fal radiowych FM jest możliwość transmitowania większych, bogatszych pakietów informacji, dzięki czemu przenoszony przez nie dźwięk brzmi lepiej. Mają jednak jedną wielką wadę: fale FM szybko opadają z sił, zupełnie jak mocno umięśniony sprinter, który potrafi przebiec tylko niewielki dystans. Choć fale radiowe AM nie są w stanie przenieść głębokiej, dynamicznej jakości rozgłośni FM, ich spacerowe tempo pozwala na pokonywanie dużych odległości przy mniejszym spadku mocy sygnału. Dzięki temu wolniejsze fale AM umożliwiają transmisje dalszego zasięgu, co pozwala na komunikację między bardziej odległymi regionami geograficznymi.

Kiedy wasz mózg przełącza się z wysokiej częstotliwości stanu czuwania na wolniejszy, bardziej miarowy wzór głębokiego snu NREM, uzyskuje podobną zdolność komunikacji długodystansowej. Równe, powolne, synchroniczne fale przetaczające się wtedy przez mózg otwierają nowe możliwości komunikacyjne między odległymi obszarami, co pozwala im dzielić się zróżnicowanymi zasobami zgromadzonego doświadczenia.

W tym sensie możecie potraktować każdą kolejną wolną falę snu NREM jako kuriera przewożącego pakiety informacji między różnymi anatomicznymi ośrodkami mózgu. Jedną z korzyści płynących z tych przemieszczających się fal mózgowych głębokiego snu jest wymiana danych. Każdej nocy fale mózgowe dalekiego zasięgu przenoszą fragmenty pamięci (świeże wspomnienia) z niepewnej przechowalni krótkoterminowej do trwalszego, a przez to bezpieczniejszego magazynu długoterminowego. Z tego powodu sądzimy, że o ile aktywność mózgu w stanie czuwania związana jest głównie z postrzeganiem zewnętrznego świata za pomocą zmysłów, o tyle stan głębokiego, wolnofalowego snu NREM jest poświęcony wewnętrznej refleksji – takiej, która sprzyja transferowi informacji i destylacji wspomnień.

Jeżeli stan czuwania jest zdominowany przez postrzeganie, a sen NREM przez refleksję, co dzieje się w śnie REM – w fazie wypełnionej marzeniami sennymi? Spójrzcie jeszcze raz na wykres 9 i ostatnią linię aktywności mózgu, którą mógłbym zaobserwować w laboratorium, gdybyście znajdowali się w fazie snu REM. Mimo że pozostawalibyście pogrążeni we śnie, obserwowane wtedy fale mózgowe przestałyby w jakikolwiek sposób przypominać te z fazy głębokiego, wolnofalowego snu NREM (środkowa linia). Aktywność mózgu w fazie REM jest niemal wierną kopią tej obserwowanej w czasie świadomego, aktywnego stanu czuwania – górnej linii z tego wykresu. Niedawne badania przeprowadzone za pomocą obrazowania metodą rezonansu magnetycznego pokazały, że niektóre obszary mózgu są aktywniejsze w czasie snu REM niż w stanie czuwania nawet o 30 procent!

Z tych powodów sen REM bywa nazywany snem paradoksalnym: mózg wydaje się obudzony, ale ciało pozostaje wyraźnie uśpione. Często nie da się odróżnić snu REM od stanu czuwania wyłącznie na podstawie elektrycznej aktywności mózgu. We śnie REM powracają zdesynchronizowane fale mózgowe o wyższej częstotliwości. Wiele tysięcy komórek mózgowych kory, które wcześniej łączyły się w powolnej, zsynchronizowanej rozmowie w czasie głębokiego snu NREM, zaczynają znów gorączkowo przetwarzać odrębne fragmenty informacji – z różną prędkością, w różnym czasie, w różnych obszarach mózgu (co było typowe dla stanu czuwania). Jednak człowiek się nie budzi, ale dalej leży wyraźnie pogrążony we śnie. Jakie zatem informacje ulegają wtedy przetworzeniu, skoro na pewno nie te pochodzące ze świata zewnętrznego?

We śnie REM, podobnie jak w stanie czuwania, otwierają się ponownie sensoryczne wrota wzgórza. Tyle że przybierają inną postać. Do kory mózgowej wpuszczają nie doznania pochodzące ze świata zewnętrznego, ale sygnały związane z emocjami, motywacjami i wspomnieniami (przeszłymi i bieżącymi), które wyświetlają się na wielkich ekranach wzrokowego, słuchowego i kinetycznego obszaru kory czuciowej. Każdej nocy sen REM zaprasza nas na groteskowe przedstawienie, w którym zostaje zaprezentowany dziwaczny, mocno skojarzeniowy korowód autobiograficznych wątków. Jeżeli chodzi o przetwarzanie informacji, stan czuwania można potraktować z grubsza jako postrzeganie (doświadczanie i nieustanne poznawanie otaczającego was świata), NREM jako refleksję (przechowywanie i wzmacnianie surowych składników, jakimi są nowe fakty i umiejętności), a sen REM jako integrację (łączenie tych surowych składników w większe całości, budowanie jeszcze dokładniejszego modelu wyjaśniającego funkcjonowanie świata, co oznacza między innymi dokonywanie twórczych spostrzeżeń, nabywanie umiejętności i rozwiązywania problemów).

Skoro elektryczne fale mózgowe snu REM i stanu czuwania są do siebie tak podobne, w jaki sposób potrafię rozpoznać, którego z tych stanów doświadczacie, leżąc w sypialni mojego laboratorium? W tej kwestii rozstrzygające jest zachowanie waszego ciała – a konkretnie jego mięśni.

Przed położeniem was do łóżka w laboratorium, przymocowalibyśmy elektrody nie tylko do waszej głowy, ale również do ciała. W stanie czuwania, nawet kiedy leżelibyście zrelaksowani na łóżku, obserwowalibyśmy ogólne napięcie mięśniowe, inaczej tonus. Taki równomierny szum mięśni można łatwo wykryć za pomocą elektrod umieszczonych na ciele. Z chwilą wejścia w sen NREM wspomniane napięcie mięśniowe częściowo zanika, niemniej znaczna jego część pozostaje. Dopiero kiedy organizm zbiera się do przeskoku w sen REM, dochodzi do niezwykłej zmiany. Na kilka sekund przed rozpoczęciem fazy marzeń sennych i później przez cały czas trwania snu REM, człowiek pozostaje całkowicie sparaliżowany. W mięśniach zależnych od naszej woli zanika napięcie. Wszelkie. Gdybyśmy weszli wtedy po cichu do pokoju i delikatnie unieśli wasze ciało, nie budząc was, byłoby całkowicie wiotkie, zachowywałoby się jak szmaciana lalka. Nie obawiajcie się, mięśnie niezależne od woli – czyli te, które kontrolują automatyczne czynności w rodzaju oddychania – nadal funkcjonują w czasie snu, utrzymując was przy życiu. Ale wszystkie pozostałe się rozluźniają.

Zjawisko to, zwane atonią (brak tonu, w tym wypadku tonusu, czyli napięcia mięśniowego), powstaje pod wpływem potężnego sygnału przesyłanego z pnia mózgu na całą długość rdzenia kręgowego. Posturalne mięśnie ciała, na przykład bicepsy w rękach albo mięśnie czworogłowe w nogach, tracą wtedy jakąkolwiek sztywność i siłę. Przestają odpowiadać na polecenia mózgu. Człowiek staje się w praktyce więźniem we własnym ciele, zesłanym tam przez sen REM. Na szczęście po odsiadce, równej długości cyklu snu REM, organizm zostaje uwolniony z tego fizycznego więzienia. Ten uderzający rozdźwięk w czasie fazy marzeń sennych, kiedy mózg jest bardzo aktywny, a ciało pozostaje unieruchomione, pozwala uczonym na łatwe rozpoznanie – a przez to odróżnienie – fal mózgowych snu REM od fal mózgowych stanu czuwania.

Dlaczego ewolucja postanowiła zakazać aktywności mięśniowej w czasie snu REM? Ponieważ dzięki temu nie będziecie odgrywali swoich marzeń sennych. W czasie snu REM przez mózg przepływa nieprzerwany strumień poleceń motorycznych, stanowiących podłoże bogatych w ruch przeżyć właściwych dla marzeń sennych. Matka Natura postąpiła zatem mądrze, zakładając nam na ten czas fizjologiczny kaftan bezpieczeństwa, który uniemożliwia realizację fikcyjnych ruchów, zwłaszcza że w czasie snu człowiek nie dysponuje zdolnością do świadomego postrzegania otoczenia. Łatwo sobie wyobrazić zgubne skutki odegrania jakiejś wyśnionej walki albo desperackiej ucieczki przed zbliżającym się we śnie wrogiem, kiedy mamy zamknięte oczy i nie jesteśmy w stanie pojmować otaczającego nas świata. Dość szybko opuścilibyśmy pulę genową. Mózg paraliżuje ciało, żeby sam mógł bezpiecznie śnić.

Skąd wiemy, że tego rodzaju polecenia związane z ruchem rzeczywiście są wydawane w czasie snu (jeśli nie liczyć informacji od osoby, która się obudziła i poinformowała nas, że śniło jej się, jak biega albo walczy)? Z powodu przykrej okoliczności, że ten mechanizm paraliżu zawodzi u niektórych ludzi, zwłaszcza w podeszłym wieku. W rezultacie przekładają oni te zrodzone w snach impulsy motoryczne na działania w realnym świecie. Jak się przekonamy w rozdziale 11, może to prowadzić do tragicznych skutków.

Na koniec wspomnę jeszcze o ważnym elemencie opisu snu REM, a mianowicie zjawisku, od którego wziął swoją nazwę: towarzyszących mu szybkich ruchów gałek ocznych. W czasie snu NREM spoczywają one nieruchomo w oczodołach19. W czasie marzeń sennych elektrody umieszczone pod oczami i nad nimi rejestrują zupełnie inny obraz: taki sam, jaki Kleitman i Aserinsky zaobserwowali w 1952 roku, obserwując sen noworodków. W fazie REM występują okresy, kiedy oczy miotają się jak szalone, poruszając się od lewej do prawej, od lewej do prawej i tak dalej. W pierwszej chwili uczeni założyli, że te rytmiczne ruchy gałek ocznych odpowiadają śledzeniu doświadczeń wzrokowych w snach. Ale to nieprawda. Ruchy gałek ocznych są ściśle powiązane z fizjologicznym procesem tworzenia snu REM i stanowią odzwierciedlenie czegoś jeszcze bardziej niezwykłego niż bierne podziwianie ruchomych obiektów występujących we śnie. Zjawisko to zostanie szczegółowo opisane w rozdziale 9.

Czy jesteśmy jedynymi istotami, które doświadczają różnych etapów snu? Czy u innych ssaków występuje faza REM? Czy śnią? Przekonajmy się.