Природа сна и теория критической нагрузки. Почему человек должен спать?

Шутка про то, что человек, который не высыпается, будет всегда уточнять «куда?» – ближе к реальности, чем может показаться на первый взгляд. По аналогии с песком, используя теории из мира физики и инструменты нейроанатомии, статья объяснит истинное назначение сна. 

Про важность сна писал не раз в предыдущих материалах. Суть даже не в количестве часов, а в регулярности и поддержке внутренних фаз. Одно только это будет лучше сказываться на продуктивности, чем какие-либо ноотропные препараты. А вот какие еще есть инструменты для сна и продуктивности – рассказывают другие статьи канала Neural Hacking.

Причины, почему человек должен спать?

Исследователи объединили физику и биологию в исследовании, объясняющему, почему мы спим. Рассматривая мозг как биологический компьютер, ресурсы которого истощаются во время бодрствования, ученые продемонстрировали, как сон перезагружает «операционную систему» ​​мозга, возвращая ее в оптимальное состояние для оптимизации мышления и обработки информации.

Проблема с источниками и отсутствие единства

В вопросе почему человек должен спать – нет единого мнения и понимания. Нет конкретных объяснений, что происходит с организмом, когда мы удовлетворяем эту фундаментальную потребность. Если загуглить «почему мы спим», то каждый источник будет предлагать свои варианты. Базовые объяснения звучат на уровне: сон выводит токсины из мозга, помогает организму восстанавливаться и наполняться энергией, имеет решающее значение для формирования долговременных воспоминаний, помогает поднять окситоцин и дофамин. Но ученые из Вашингтонского университета в Сент-Луисе предоставили первые прямые доказательства, которые могут ответить на этот вопрос.

Мозг подобен биологическому компьютеру. Память и опыт, которые накапливаются в состоянии бодрствования, постепенно меняют код, медленно уводя большую систему от идеального состояния. Основная цель сна — восстановить оптимальное вычислительное состояние.

Кит Хенген, автор исследования.

Сравнение мозга со сложным компьютером не преувеличение. Оба используют электрические сигналы для передачи информации, долговременная память подобна жесткому диску для хранения и извлечения информации, а наши нейроны подобны транзисторам. 

Углубляясь в кибернетику и нейроанатомию

Использование компьютера означает как решение основных задач, так и то, что в фоновом режиме протекает множество процессов, которые используют ресурсы системы. Постоянная сменяемость процессов со временем приводит к замедлению системы. Применяя «гипотезу критичности», исследователи предположили, что мозг действует аналогичным образом. Подобные паттерны и изучает киберпсихология.

В области физики термин критичность описывает состояние системы, существующей на грани между порядком и хаосом. Физики впервые разработали концепцию критичности в конце 1980-х годов, используя простой набор правил, позволяющих упорядочивать тысячи песчинок на шахматной сетке. Часть песка в конечном итоге достигает конкретной точки, при условии наличия больших и малых лавин, которые возникают в случайном порядке.

Вся система постоянно самоорганизуется в чрезвычайно сложное и масштабное образование.

Ральф Вессель, один из соавторов исследования.

Киберпсихология, теория критичности и почему человек должен спать?

Применяя гипотезу критичности к мозгу, исследователи сравнивают каждый нейрон с отдельными песчинками, следуя простым правилам. Лавины нейронной активности похожи на песчаные лавины, созданные физиками. При этом наличие каскадов – это самый яркий маркер того, что система достигла наиболее сложного состояния. Когда нейроны достигают баланса между упорядоченностью и хаосом, то именно в это время мозг работает максимально эффективно.

Киберпсихология и мозг

Про схожесть мозга и компьютера, про потенциал слияния мозга и компьютера – писал Тимоти Лири, после того как был вынужден завязать с экспериментами с ЛСД. Именно Лири назвал эпоху развития компьютеров «ЛСД 21 века» и указывал на потенциал объединения мозга и виртуальных пространств. Что вылилось в его работу по киберпсихологии. 

Отдельно вопрос схожести мозга и компьютера рассматривается в постулатах теории критичности — это то, что Хенген и Вессель исследовали в 2019 году. Их работа продемонстрировала, что мозг активно работает над поддержанием критичности.

В новом исследовании авторы и их коллеги попытались понять функцию сна с точки зрения критичности. Они измерили электрофизиологические реакции отдельных нейронов зрительной коры мозга молодых крыс, когда те свободно проходили через обычные циклы сна/бодрствования. Тем самым ученым удалось связать паттерны поведения с алгоритмами, реализовав на практике то, что включает в себя киберпсихология.

Первые результаты, объясняющие почему человек должен спать

Вы можете следить за этими небольшими каскадами активности в нейронной сети. В критическом состоянии могут возникнуть лавины любого размера и продолжительности. До наступления момента критичности, система начинает склоняться только к небольшим лавинам или только к большим лавинам. Предкритическое состояние мозга аналогично написанию книги, когда вы можете использовать только короткие или длинные слова.

Кит Хенген, автор исследования.

Исследователи наблюдали лавины разного характера в мозге крыс, которые только что проснулись. В периоды бодрствования интенсивность каскадов смещались в сторону меньших и меньших размеров. Исследователи обнаружили, что могут предсказать, когда крысы собираются заснуть или проснуться, отслеживая распределение нейронных лавин. Сон был близок, когда масштабы каскадов сократились до определенной точки.

Результаты показывают, что каждый момент бодрствования отталкивает соответствующие нейронные связи мозга от состояния  критичности, а сон помогает мозгу перезагрузиться.

Кит Хенген, автор исследования

Выводы исследования, объясняющие, почему человек должен спать

В целом, данные подтверждают модель, согласно которой функции сна направлены на восстановление критичности, которая постепенно снижается во время бодрствования. Критичность – это возможность мозга непредсказуемо и системно запускать каскады далеко распространяющихся лавин нейронной активности. 

По сути, этим можно объяснить состояние «залипания», когда истощенный человек не может мыслить масштабно, а слепо избегает импульсов «здесь и сейчас», не думая в долгосрок.

Как итог, мы должны спать для того, чтобы мозг приобрел масштабность работы. И буквально «расширение сознания» держится на основе того, чем масштабнее и последовательнее теории, которые мы можем строить.

Больше материалов о мозге, психике и сознании вы найдете в телеграм канале Neural Hacking.