Hipokamp to skupisko komórek nerwowych w mózgu, przypominające kształtem konika morskiego (od hippocampus, łacińskiej nazwy grupy gatunków ryb). Pełni on rolę stacji przekaźnikowej między teraźniejszością a przeszłością. W doświadczeniach na szczurach udowodniono, że nabyte informacje przetrzymywane są w hipokampie tylko przez pewien czas. Zwierzęta uczono nowego zadania – znajdowania platformy ukrytej tuż pod wodą – a następnie podawano im substancję wybiórczo zabijającą komórki hipokampa. Jeśli wstrzyknięto ją przed upływem 12 tygodni, to zwierzęta zapominały o wcześniej wyuczonej umiejętności. Natomiast szczury, którym niszczono hipokamp później, pamiętały o platformie równie dobrze jak gryzonie z nieuszkodzonymi mózgami. Wiedza na temat położenia platformy musiała zatem przejść dalej – najprawdopodobniej została zmagazynowana w bardziej odległych od hipokampa strukturach kory mózgowej.
Kasowanie konika
Podobne wnioski można wyciągnąć obserwując ludzi z uszkodzonym hipokampem. W literaturze neuropsychologicznej najobszerniej został opisany przypadek pacjenta cierpiącego na oporną na leczenie padaczkę. Po chirurgicznym usunięciu fragmentów płatów skroniowych wraz z hipokampami (w obydwu półkulach mózgu) ataki padaczki ustały. Pacjent przypłacił to jednak m.in. zupełną niezdolnością do zapamiętywania nowych faktów i zdarzeń.
Dominująca od lat wśród neuropsychologów hipoteza głosiła, że w trakcie snu informacje są utrwalane w mózgu – wędrują właśnie z hipokampa do kory nowej. W 2003 r. dwoje naukowców z University of Wisconsin, Chiara Cirelli i Giulio Tononi, zaproponowało hipotezę, która do dziś cieszy się szeroką akceptacją wśród uczonych i szczegółowo wyjaśnia zjawisko. Nosi ona dość skomplikowaną nazwę synaptycznej homeostazy. Synapsy to mikroskopijne szczeliny, przez które wędrują impulsy nerwowe pomiędzy neuronami (za pośrednictwem specjalnych substancji chemicznych – neuroprzekaźników). Kiedy nie śpimy i chłoniemy wiedzę z otaczającego świata, synaptyczne połączenia między neuronami ulegają wzmocnieniu. Ale nie może ono trwać w nieskończoność. Dlatego sen, mówiąc w bardzo dużym uproszeniu, wycisza pobudzenie komórek z okresu czuwania i przywraca ich równowagę (homeostaza). Jednak to wyciszenie nie niweluje różnic pobudzenia pomiędzy poszczególnymi neuronami. A więc jeśli w ciągu dnia czegoś się uczyliśmy, czyli wzmocniliśmy połączenia synaptyczne pomiędzy konkretnymi komórkami nerwowymi, to sen – mimo obniżenia aktywności wszystkich neuronów – utrwali to większe pobudzenie. Hipoteza synaptycznej homeostazy wyjaśnia zatem, dlaczego sen utrwala wiedzę, którą nabyliśmy w poprzedzającym go stanie czuwania.
Jednak w 2007 r. grupa uczonych z amerykańskiego Brown University opublikowała na łamach „Nature Neuroscience” i „Proceedings of the National Academy of Sciences” wyniki badań sugerujące jeszcze coś przeciwnego. Utrwalanie zapamiętanych informacji miałoby zachodzić wtedy, gdy znajdujemy się w stanie czuwania, a głęboki sen służy zupełnie czemuś innemu. Jego rolą miałoby być oczyszczanie (kasowanie) hipokampa, pełniącego w naszym mózgu funkcję podręcznego notatnika pamięci, by nie był zbyt przepełniony zbędnymi informacjami. Amerykańscy naukowcy doszli do tego zaskakującego wniosku badając myszy, którym wszczepiono do mózgu elektrody. Dzięki nim można było dokładnie obserwować specyficzną komunikację pomiędzy hipokampem a korą nową.
Kasowanie hipokampa to na razie tylko jedna z hipotez. Nasza wiedza na temat aktywności mózgu w trakcie snu i celów, dla jakich został on wynaleziony przez ewolucję, jest bowiem bardzo ograniczona. Najważniejsze odkrycie dotyczące tego fragmentu naszego życia zostało dokonane pół wieku temu. Amerykańscy uczeni Nathaniel Kleitman i Eugene Aserinsky z University of Chicago mierzyli ruchy gałek ocznych, by określić głębokość snu. I ze zdumieniem stwierdzili, że około półtorej godziny po zaśnięciu ludzie nagle zaczynali szybko poruszać oczami. Takich faz pojawiało się w ciągu nocy kilka.
Szybkie oczy
Początkowo Kleitman i Aserinsky sądzili, że zwariowała aparatura, ale wielokrotnie przeprowadzone pomiary potwierdziły występowanie tego dziwnego zjawiska. Nadali mu więc nazwę REM (od ang. rapid eye movements), czyli snu z szybkimi ruchami gałek ocznych. W tej fazie nie tylko oczy, ale również mózg wykazuje znacznie zwiększoną aktywność. Pojawiają się wtedy charakterystyczne reakcje fizjologiczne – m.in. erekcja u mężczyzn i zwilżenie pochwy u kobiet.
Co ciekawe, w czasie fazy REM struktura mózgu zwana mostem odcina kontrolę rdzenia kręgowego nad mięśniami szkieletowymi, powodując ich zwiotczenie. Po co? Wyjaśniono to, badając koty z uszkodzonym mostem. Gdy wchodziły w fazę REM (u zwierząt jest ona nazywana snem paradoksalnym), zaczynały ścigać wyimaginowaną zdobycz, podskakiwać, chodzić, tak jakby uzewnętrzniały przeżywane sny. Gdyby więc nasz mózg nie zostawał odcięty od kontroli mięśni, każdej nocy mocno byśmy się potłukli, np. uciekając przed pojawiającym się we śnie zagrożeniem.
Początkowo sądzono, że tylko REM jest ściśle związany z marzeniami sennymi, ale nie zostało to potwierdzone. Śnimy również w tzw. fazach non REM (NREM). Tych z kolei najczęściej w literaturze naukowej wyróżnia się cztery – każda charakteryzuje się innym wzorem aktywności mózgu, widocznym w zapisie elektroencefalogramu (EEG). Zasypianie zaczyna się od fazy I, gdy na krótko wchodzimy w tzw. płytki sen. Potem następuje faza II, czyli przejście do snu głębokiego, który na dobre pojawia się w fazach III i IV – wówczas bardzo trudno nas wybudzić (w tych fazach występuje również lunatykowanie, gdyż kontrola mięśni nie jest odcięta), a mózg wyraźnie zwalnia swoje obroty. Po fazie czwartej następują znów fazy III i II, po czym nagle mózg budzi się do życia na ok. 10 minut. To jest właśnie faza REM. Cały ten cykl trwa ok. 90 minut i powtarza się kilkakrotnie w ciągu nocy, przy czym fazy REM ulegają wydłużeniu kosztem pozostałych.
Pierwiastki i inne marzenia
Nie ma jednej dobrej teorii tłumaczącej, dlaczego nasz sen jest tak poszatkowany i po co mózg przełącza się na wysokie obroty w fazie REM? Ta ostatnia występuje powszechnie u ptaków i ssaków (z wyjątkiem delfinów i jajorodnych kolczatek), a im dłużej sypia dany gatunek, tym większą część snu stanowi REM. Jedna z hipotez mówi, że jest to wynik przystosowania ewolucyjnego – organizm, który bardzo długo pozostawałby w głębokim uśpieniu, byłby narażony na liczne niebezpieczeństwa. Dlatego co pewien czas mózg, nie budząc się, przełącza się w stan nieświadomego czuwania, w którym nawet niewielki hałas potrafi go zbudzić. Inna interesująca, choć bardzo kontrowersyjna hipoteza traktuje fazę REM jako produkt uboczny... dotleniania rogówek oczu. Czerpią one większość tlenu nie z krwi, ale z powietrza i cieczy znajdującej się w komorze tuż za rogówką. Kiedy oczy są nieruchome, może nastąpić zastój tego płynu. Dlatego w trakcie snu musimy co pewien czas gwałtownie nimi poruszać.
Według innych hipotez, REM ma służyć porządkowaniu pamięci – marzenia senne występujące w tej fazie to nic innego, jak przeglądanie zapisanych w mózgu informacji, usuwanie zbędnych elementów i porządkowanie pozostałych. Dlatego ludziom we śnie czasami przychodzą do głowy rozwiązania nurtujących ich problemów. Jednym z najsłynniejszych takich przykładów jest tablica pierwiastków, która miała się przyśnić rosyjskiemu chemikowi Dmitrijowi Mendelejewowi.
Jednak bardzo często nasze sny są mocno odrealnione i nielogiczne. Dlaczego tak się dzieje? Może być to wynik funkcjonowania mózgu w nienormalnych warunkach. Bez dopływu bodźców z narządów zmysłów organ ten swobodnie tworzy obrazy i ciągi zdarzeń ze zmagazynowanych wspomnień. A ponieważ we śnie obniżona jest aktywność kory przedczołowej – którą można określić jako siedlisko wyższych funkcji psychicznych umożliwiających m.in. kontrolowanie zachowania – tworzone przez mózg marzenia senne nie są „cenzurowane”. Stąd może się brać ich często surrealistyczny charakter.
Inna hipoteza mówi o łączeniu nowych informacji w pamięci ze zmagazynowanymi w przeszłości, czasami odległej – dlatego w naszych snach tak często pojawiają się osoby, których nie widzieliśmy już od dawna. Z tego też powodu w marzeniach sennych obiekty i ludzie mogą się łączyć w dziwaczny sposób w jedno. Ważną i mało zbadaną kwestią jest również wpływ emocji na treść snów.
Piętno na snach odciskają też otaczające nas wynalazki techniczne. Może o tym świadczyć odkrycie dokonane przez psycholożkę dr Evę Murzyn z University of Derby (Wielka Brytania). Wykazała ona na podstawie zachowanych raportów, że w latach 50. XX w. większość badanych w zamożnych krajach Zachodu pamiętała swoje sny jako czarno-białe. Ale pod koniec lat 60. ludzie raportowali, że śnią w kolorach. Pokrywa się to dokładnie ze zmianą technologii nadawania programów TV. Co ciekawe, osoby, które urodziły się przed nadejściem telewizji kolorowej, dziś częściej mają czarno-białe sny niż ludzie, którzy przyszli na świat w epoce barwnej TV. Dr Murzyn zastanawia się więc, jakie piętno na tym aspekcie naszego życia odciskają gry komputerowe, dostarczające coraz bardziej intensywnych przeżyć dzięki zwiększającej się realistyce rozgrywki. Pierwsze wyniki badań na ten temat już się pojawiły. Naukowcy z kanadyjskiego Grant MacEwan University informują, że gracze odczuwają w snach większą kontrolę nad tym, co się dzieje i mają wrażenie, jakby przebywali w wytworzonej przez komputer wirtualnej rzeczywistości.
Krótki sen krowy
Zagadki snu nie dotyczą jednak tylko funkcji marzeń sennych i fazy REM, która u przeciętnego człowieka zajmuje w sumie 600 godzin rocznie. Nauka nie zna nadal satysfakcjonującej odpowiedzi na znacznie bardziej podstawowe pytanie: po co w ogóle spędzamy jedną trzecią życia w stanie nieświadomości? Na pewno sen jest niezbędny do prawidłowego funkcjonowania organizmu. Zwierzęta śpią nawet w bardzo niesprzyjających okolicznościach – ptaki potrafią robić to w locie, a delfiny w czasie pływania w kółko. Żeby nie skończyło się to katastrofą (delfiny muszą przecież co pewien czas się wynurzyć, by zaczerpnąć powietrza), półkule mózgu odpoczywają u nich na przemian – raz śpi lewa, raz prawa. Choć warto nadmienić, że u pewnych gatunków delfinów i wielorybów zaobserwowano zdolność do życia bez snu nawet przez cały miesiąc – ale tylko u samic i ich dziecka zaraz po jego przyjściu na świat.
Liczne eksperymenty pokazały, że wielodniowe pozbawienie snu prowadzi do całkowitego wyczerpania i znacznego spadku odporności. Sen służy więc regeneracji, ale nie wiemy, na czym ona polega. Większy wysiłek umysłowy czy fizyczny wcale nie powoduje, że śpimy dłużej. Co więcej, niektórzy ludzie czują się wypoczęci i normalnie funkcjonują zaledwie po trzech godzinach snu.
Może więc jego funkcją jest wymuszanie oszczędzania energii. W okresach, kiedy trudniej jest zdobyć pożywienie, wykształcony w toku ewolucji mechanizm zmusza organizm do zwolnienia obrotów. Tak się na pewno dzieje z gatunkami, które zapadają w sen zimowy. Ale ciała innych ssaków we śnie również obniżają temperaturę o ok. 1 st. C. Każdy z nas może to sprawdzić tuż przed zaśnięciem – ręce i nogi robią się wówczas cieplejsze na skutek zwiększonego przepływu krwi. Oddajemy ciepło, by obniżyć temperaturę ciała. Dzięki temu bilans energetyczny przespanej nocy jest dodatni – potrafimy zaoszczędzić niewielką, ale zauważalną ilość energii.
Hipotezę oszczędzania energii zdają się potwierdzać również różnice międzygatunkowe. Np. nietoperze, które zjadają wysokoenergetyczny pokarm i nie są w trakcie snu zbytnio narażone na ataki drapieżników, śpią bardzo długo. Z kolei pasące się gatunki roślinożerne mają często przerywany i krótki sen, gdyż muszą zdobyć dużo pożywienia i są niemal stale zagrożone.
SENsacyjna substancja
Kolejna nierozwiązana przez naukę zagadka to niezidentyfikowana substancja, która przełącza nas w stan snu. Hipnotoksyna, bo tak się ją określa, najprawdopodobniej gromadzi się w ciągu dnia w organizmie, a gdy przekroczy pewien poziom koncentracji, odczuwamy potrzebę snu. Że taka substancja rzeczywiście istnieje, wykazano jeszcze w XIX w. Pewien angielski badacz nie pozwalał zasnąć swoim psom. Kiedy po kilku nocach słaniały się one ze zmęczenia, pobrał ich płyn mózgowo-rdzeniowy i wstrzyknął wypoczętym zwierzętom. Te niemal natychmiast stały się senne.
Być może nie ma w organizmie pojedynczej substancji nasennej, ale działa ich kilka. Jedną z kandydatek do tej grupy jest melatonina, hormon wydzielany przez szyszynkę. Osoby, które mają uszkodzony ten gruczoł, zasypiają z trudem. Kolejna substancja to adenozyna, powstająca w procesach przemiany materii. Kumuluje się w organizmie w ciągu dnia, a jej wysokie stężenie powoduje senność. Powiązane ze snem wydają się również prostaglandyny, hormony regulujące procesy fizjologiczne, których stężenie rośnie w ciągu dnia, wywołując senność, a spada w nocy.
Rozwiązanie choćby tej jednej zagadki snu – tzn. ostateczne zidentyfikowanie hipnotoksyny – byłoby wielkim osiągnięciem nauki. Powstały dzięki temu lek, na pewno i bez żadnych skutków ubocznych, rozwiązałby problem milionów ludzi cierpiących na bezsenność.
Śpiochy i czuwacze
Sen jest powszechnym zjawiskiem w świecie zwierząt. Nawet tak proste organizmy, jak malutkie bezkręgowce nicienie czy muszki owocowe, mają okresy braku aktywności przypominające spanie. Natomiast zwierzęta dość istotnie różnią się długością snu na dobę w godzinach:
Krótki sen:
2,9 – koń
3,8 – owca
3,9 – krowa
Umiarkowany sen:
8,0 – człowiek
8,4 – królik
9,8 – lis
Długi sen:
14,5 – kot
18,5 – pancernik
19,9 – nietoperz