Żeby powiedzieć w skrócie - nie wiemy do końca dlaczego ok. jedną trzecią życia spędzamy w objęciach Hypnosa. Niezmiennie i od wielu lat temat ten absorbuje naukowców jak i "zwykłych" ludzi.
Większość z nas (za wyłączeniem dobrze bawiących się dzieci) wie, że spać musimy. Długotrwałe ograniczenie liczby godzin snu ma zazwyczaj negatywne skutki dla naszego zdrowia - zarówno fizycznego jak i psychicznego. Ludzie po prostu spać muszą. Chroniczną bezsenność klasyfikujemy jako jednostkę chorobową. Jest ona też elementem składowym / jednym z objawów szeregu chorób - zarówno psychicznych jak i somatycznych.
A więc po co nam sen?
Aby spróbować zbliżyć się do odpowiedzi na to pytanie, musimy najpierw zapytać, czym jest sen i jakie są jego podstawowe cechy. Wiemy, że prawdopodobnie jest konserwowany ewolucyjnie, co oznacza, że parktycznie nie zmienił się w trakcie procesów ewolucji. Wielu naukowców uważa również, że jest uniwersalny wśród zwierząt, chociaż badano go systematycznie tylko na niewielkiej liczbie gatunków. Sen może pojawiać się pod różnymi postaciami u różnych gatunków. Na przykład delfiny mogą spać „jednopółkulowo” - zasypiając z połową mózgu, podczas gdy druga połowa nie śpi. Pozwala im to na wykonywanie złożonych czynności, takich jak wypływanie na powierzchnię oceanu, aby oddychać, bez budzenia się. U wielu gatunków, w tym ludzi, sen jest związany z określonymi pozycjami, takimi jak leżenie i bezruch.
Stewierdzenie, że dane zwierzę śpi, nie jest tak proste jak mogłoby się wydawać. Prymitywny, ale skuteczny sposób polega na sprawdzeniu, czy zwierzę jest „odłączone” od swojego otoczenia poprzez dostarczenie jakiejś stymulacji, która zwykle wywoła silną reakcję, taką jak nieoczekiwany hałas. Jeśli zwierzę nie zareaguje, istnieje duże prawdopodobieństwo, że jest rzeczywiście odłączone - a tym samym śpi, a nie tylko odpoczywa. Naukowcy uważają takie odwracalne odłączenie od środowiska za cechę definiującą sen. (Nieodwracalne odłączenie się od otoczenia oznaczałoby śpiączkę).
Dlaczego zwierzęta miałyby okresowo "odłączać się" od środowiska?
Jedną z odpowiedzi udzielonych przez biologów jest to, że sen nie ma własnego życiowego celu ani funkcji. Nazywa się to czasami „hipotezą zerową” dotyczącą snu. Obrońcy tego poglądu utrzymują, że w przeciwieństwie do jedzenia lub rozmnażania, sen sam w sobie nie jest konieczny do przeżycia, ale jest użyteczny, ponieważ pomaga zwierzętom unikać drapieżników lub regulować ich metabolizm. Takie okresy uśpienia mogły być naturalnie wybrane, ponieważ sprzyjają przetrwaniu, zmuszając zwierzę do ukrywania się przez pewien czas. Zgodnie z tym poglądem o śnie istotne jest to, aby zwierzę unikało niebezpieczeństw i ograniczało (czasowo) wykorzystanie zasobów metabolicznych.Problem z hipotezą zerową polega na tym, że można łatwo postawić na głowie zawarte w niej rozumowanie: czy regularne odłączanie się od środowiska na znaczną część czasu nie czyni organizmu bardziej podatnym na drapieżnictwo, a nie mniej? Czy nie byłoby lepiej spędzać czas na czynnościach niezbędnych do przetrwania, takich jak krycie, zbieranie pożywienia lub innych zasobów? A jeśli ukrywanie się lub odpoczynek są, mówiąc ewolucyjnie, tak samo dobre jak spanie, dlaczego tak wiele zwierząt śpi?
Jeśli hipoteza zerowa jest błędna, być może sen pełni jednak jakąś zasadniczą funkcję?
"Prześpij się z tym"
To rada, którą często słyszymy, gdy mamy problem z rozwiązaniem jakiegoś zadania, zwłaszcza takiego wymagającego dużego zaangażowania umysłowego. Podobnie jest z podjęciem jakiejś decyzji, przy którym to musimy przeanalizować bardzo dużo dostępnych faktów to za jedną, to za drugą stroną. I często po przespanej nocy rozwiązanie problemu przychodzi następnego dnia z łatwością, a wybór kierunku postępowania wydaje się oczywisty.
Obserwacje tego typu sytuacji skłoniły neuro naukowców do analizowania korzyści jakie płyną ze snu dla procesu uczenia się i zapamiętywania. Niektórzy twierdzą, że sen ma do odegrania szczególną rolę w utrwalaniu i przechowywaniu wspomnień. Jedna z hipotez głosi, że sen pozwala mózgowi odtwarzać wspomnienia w pewnych strukturach, takich jak hipokamp, utrwalając w ten sposób te wspomnienia. Badania hipokampu i innych obszarów mózgu, na przykład pierwotnej kory wzrokowej, sugerują, że rodzaj aktywności neuronalnej, która występuje podczas snu, jest pod pewnymi względami podobny do aktywności neuronalnej, która wystąpiła podczas uczenia się.
Jednak eksperymentalnie trudno jest odróżnić powtarzającą się pamięć od prostej aktywności neuronalnej w tle. Mówiąc koncepcyjnie, to tak, jakby próbować znaleźć kształty chmur w innych chmurach. W każdym razie powtarzanie wspomnień w celu ich dalszego utrwalenia nie wydaje się być istotną funkcją, która wyjaśniałaby, dlaczego sen jest tak powszechny, a nawet powszechny w królestwie zwierząt.
Hipoteza Synaptycznej Homeostazy (SHY)
Mimo wszystko uczenie się, zapamiętywanie i zdolności poznawcze wydają się być obiecującymi obszarami, w których można próbować znaleźć podstawową funkcję snu. Jedną z ostatnich propozycji, która próbuje połączyć te obszary w jedną całość, jest Hipoteza Synaptycznej Homeostazy (SHY), pierwotnie wysunięta przez Giulio Tononiego i Chiarę Cirelli w 2003 roku.
Punktem wyjścia dla SHY jest powiedzenie znane wszystkim neuronaukowcom: „neurony, które strzelaj razem, łączą się”. To zdanie jest powszechnie używane do podsumowania pojęcia wysuniętego przez Donalda Hebba w jego 1949 r. The Organization of Behavior. Hebb podał wyjaśnienie tego, co obecnie nazywa się plastycznością synaps - to znaczy, w jaki sposób synapsy stają się słabsze lub silniejsze, w zależności od tego, jak często są używane. Podstawową ideą jest to, że jeśli neuron A wywołuje wystrzelenie neuronu B, to przy następnym odpaleniu neuronu A jest jeszcze bardziej prawdopodobne, że spowoduje to pożar neuronu B - co jest obecnie znane jako prawo Hebba. Powszechnie uważa się, że taka plastyczność synaptyczna leży u podstaw całego procesu uczenia się i pamięci.
Ale jest mniej znana implikacja tego prawa: jeśli neurony będą dalej strzelać razem, a tym samym łączyć się ze sobą, tworząc coraz silniejsze połączenia, to czy wszystkie połączenia nie staną się ostatecznie zbyt silne, tak że każdy neuron mógłby urchomić rodzaj reakcji łańcuchowej w całej sieci neuronowej, może nawet wywołującej atak epilepsji?
W rzeczywistości naukowcy wiedzą, że neurony nie zawsze stają się silniejsze w wyniku wielokrotnego użycia, ale w odpowiednich okolicznościach mogą również osłabiać się w wyniku uczenia się. Jednak rozpalenie neuronu jest bardziej bogate w informacje niż powstrzymanie neuronu przed skokami. Można więc oczekiwać, że połączenia neuronowe będą rosły silniej podczas uczenia się. Ważną prognozą SHY jest to, że średnio i z biegiem czasu połączenia neuronowe rzeczywiście wzmacniają się zbiorowo w okresach aktywnego uczenia się, co może mieć miejsce tylko wtedy, gdy organizm nie jest odłączony od swojego środowiska - kiedy nie śpi. Oznacza to, że podczas czuwania następuje wzrost netto siły synaps; im dłużej nie śpisz, tym silniejsze stają się twoje synapsy (ogólnie rzecz biorąc). Wynika z tego, że gdybyś nie spał wystarczająco długo, napotkałbyś różnego rodzaju problemy: twoje neurony uległyby nasyceniu, co oznacza, że nie byłyby już w stanie pozyskiwać nowych informacji; koszt energii metabolicznej utrzymania synaps stałby się niebotycznie wysoki; i coraz trudniej byłoby reagować na sygnały neuronowe. Krótko mówiąc, nie byłbyś w stanie się niczego nauczyć.
SHY sugeruje, że podstawową funkcją snu jest regulacja siły synaps w mózgu, co pozwala nam uczyć się w ciągu dnia. „Sen to cena, jaką mózg płaci za plastyczność”, jak to ujęli Tononi i Cirelli. W szczególności oznacza to, że podczas snu synapsy są „obniżane” z powrotem do tej samej ogólnej siły, jaką miały w stanie początkowym (na początku dnia). Utrzymywanie „homeostazy synaptycznej” zapobiega zjawisku zbyt silnych synaps i wysyceniu neuronów, zmniejszając ilość energii metabolicznej wykorzystywanej przez synapsy i zwiększając stosunek sygnałów neuronowych (wspomnień) do szumu.
Ogólna siła synaps zostaje zmniejszona, ale nie jest tak, że poszczególne synapsy po prostu wracają do swoich początkowych stanów. Przyniosłoby to efekt przeciwny do zamierzonego w przypadku uczenia się. Wniosek Tononiego i Cirelli jest taki, że dla pamięci liczy się względna siła neuronów w całej sieci neuronowej, a nie siła poszczególnych synaps.
Zakładając, że SHY jest prawidłową hipoteza, powodem, dla którego po "przespaniu się" trudne wybory są prostsze do podjęcia, a rozwiązanie trudnego zadania przychodzi łatwiej, jest to, że połączenia neuronowe z prób rozwiązania, czy analizowania wyboru zostały stworzone zanim pójdziesz spać. W ciągu dnia i aktywności delikatny wzór łączności neuronowej został zagłuszony przez hałas tak wielu innych synaps, więc nie przełożyło się to jeszcze na nową umiejętność. Sen pozwala mózgowi odkryć te zagłuszone połączenia.
Jak przebiega proces zmniejszania siły synaptycznej? Nie wiemy dokładnie. Istnieją dowody na to, że tak zwane „powolne fale” w głębokim śnie odgrywają ważną rolę. Być może sen wolnofalowy porządkuje zarośnięty ogród nerwowy mózgu. Ale SHY jest neutralny, jeśli chodzi o dokładną naturę mechanizmu neuronalnego odpowiedzialnego za zmniejszanie siły synaps, który, o ile wiemy, może się różnić w zależności od gatunku zwierząt.
Oczywiście nie wszyscy naukowcy badający sen akceptują SHY jako najlepsze wyjaśnienie podstawowej funkcji snu. Chociaż SHY jest kompatybilny z dowodami eksperymentalnymi, nadal potrzeba dużo więcej badań. Potencjalną przeszkodą jest to, że neuronaukowcy są często bardziej zainteresowani lokalnymi mechanizmami aktywności neuronalnej niż rodzajem abstrakcji wysokiego poziomu oferowanych przez SHY.
Ale sam fakt, że naukowcy nie zgadzają się dziś co do tego, dlaczego śpimy - dlaczego przeżywamy zaledwie dwie trzecie naszego życia, a jedną trzecią spędzamy odłączeni od naszego środowiska - jest pokornym przypomnieniem, jak wiele wciąż nie wiemy.