В середине тридцатых годов бельгийский нейрофизиолог Бремер провел очень важные опыты. Перерезав кошке спинной мозг на уровне первого шейного сегмента, он получил так называемый изолированный мозг. На электроэнцефалограмме, снятой с этого мозга, отражалась нормальная смена сна и бодрствования. Когда же Бремер сделал перерезку на уровне среднего мозга, получился препарат, который он назвал «конечным изолированным». На снятой с него электроэнцефалограмме была лишь картина сна. Отчего произошла такая перемена, Бремер сразу не догадался. Непрерывный сон он по традиции объяснил снижением притока импульсов к коре. Это было верно, но каких импульсов, и откуда они шли? Оставалось сделать один шаг и найти механизмы, поддерживающие уровень бодрствования. Но шаг этот Бремеру сделать было не суждено. Сделали его в 1949 году американский нейрофизиолог Мэгун и его итальянский коллега Моруцци.

Исследуя больных полиомиелитом, который поражает нижние отделы ствола головного мозга, Мэгун установил, что нарушения мышечного тонуса при этой болезни связаны с разрушением нижних отделов ретикулярной формации. О существовании этой структуры знали еще в прошлом веке, но ее назначение было никому не ведомо. Ретикулярная формация — это огромная сеть нейронов; отсюда и название: ретикулярная — значит сетевидная.

Сеть эта растянута по всему стволу от спинного мозга до гипоталамуса и таламуса включительно. Мэгун и Моруцци доказали, что глубокий сон, который демонстрировал Бремеру «конечный изолированный мозг», вызван был отсечением от полушарий ретикулярной формации, чьи активизирующие импульсы поддерживают не только мышечный тонус, но и надлежащий уровень бодрствования.

Изучение ретикулярной формации было продолжено американскими нейрофизиологами. Они разрушали все пути, по которым направляются в кошачий мозг импульсы из глаза, уха, от кожи и обонятельных луковиц, и сохраняли только связи ретикулярной формации с большими полушариями. Никаких изменений на электроэнцефалограмме, никакого понижения уровня бодрствования! Когда же все пути между органами чувств и корой оставались нетронутыми, а разрушалась ретикулярная формация, наступал сон. Так появилось весьма важное дополнение к прежним гипотезам о том, как влияет на состояние мозга сокращение потока поступающих в него импульсов.

Природа позаботилась о том, чтобы все импульсы, приходящие от органов чувств в соответствующие отделы коры, попадали и в ретикулярную формацию. Вот перед нашими глазами неожиданно возникает яркий свет. По зрительным волокнам сигнал о свете отправляется к зрительной коре. Но, проходя через ствол мозга, сигнал делится на две части. Одна часть продолжает свой путь в затылочную долю, где находится зрительная кора, а другая по особым ответвлениям направляется в ретикулярную формацию. А что произойдет, если мы услышим громкий звук? Часть сигналов попадет в слуховую кору, расположенную в височной доле, а часть — опять в ретикулярную формацию.

Пока специфические мозговые системы, то есть системы, связанные с органами чувств определенного типа и с раздражителями определенной модальности, анализируют поступающие сигналы, неспецифические, то есть относительно безразличные к тому, поступает информация зрительная, слуховая или осязательная (к неспецифическим относится и ретикулярная формация), оценивают те же сигналы по их значимости для организма и готовят его к ответным действиям. Вот для чего и параллельный поток сигналов. В верхних отделах ретикулярной формации имеется механизм, поддерживающий необходимый нам уровень бодрствования. Это так называемая активирующая восходящая система. Ее разрушение и повергает животное в сон. Уровень бодрствования поддерживается постоянным потоком импульсов, идущих из ретикулярной формации в кору. Даже во сне эта «фоновая активность» не исчезает совсем, а лишь снижается до определенного порога, что позволяет животным просыпаться при приближении опасности. Когда же сигнал приобретает особое значение, поток импульсов возрастает, и вместе с ним возрастает внимание и сосредоточенность. Мозг уже не просто регистрирует сигнал, а изучает его.

Бодрствование — это активный процесс, поддерживаемый ретикулярной формацией. А сон? Выходит, сон пассивен? Выходит, это просто-напросто «не бодрствование», возникающее из-за снижения потока импульсов? Ничего подобного: сон не менее активен, чем бодрствование. Достаточно взглянуть на электроэнцефалограмму… Впрочем, об электроэнцефалографии тоже следует рассказать подробнее.

Первым, кто записал электрические потенциалы мозга, был мэр Ливерпуля лорд Ричард Катон. В 1875 году он обнаружил на скальпе у кроликов и обезьян разность потенциалов между двумя точками.

В середине двадцатых годов XX века к опытам приступил австрийский врач и ученый Ганс Бергер.

Приклеив к голове добровольцев металлические пластинки, он соединил их с гальванометром и увидел на шкале колеблющиеся потенциалы в несколько тысячных вольта. Дальше представьте себе ползущую бумажную ленту, на которой фотографируются положения зеркальца гальванометра и начерченные на бумаге кривые, отражающие измерения биопотенциалов во времени. Эти изменения стали называть волнами или ритмами.

Для подлинного расцвета электроэнцефалографии потребовалось еще лет десять, в течение которых были разработаны высокочувствительные усилители и сделана основательная классификация мозговых ритмов. В современных клиниках электроды прикладывают уже не к двум точкам головы, как это делал Бергер, а ко многим участкам, прибор же вычерчивает от четырех до шестнадцати кривых. Расцвету электроэнцефалографии сопутствовала бурная вспышка фантазии среди широкой публики. Только и было разговоров, что о чтении мыслей, закодированных в узоре электроэнцефалограммы. К счастью, о мыслях можно только догадываться: кривые отражают лишь среднее электрическое состояние сотен миллионов нейронов на каком-нибудь участке мозга. Но и это состояние способно рассказать о многом.

Вот перед нами альфа-ритм — ритм спокойного, расслабленного бодрствования с закрытыми глазами, когда мозг ничем не занят, а зрение отдыхает. Человек сосредоточился, и на месте альфа-ритма появился частый, стремительный бета-ритм. Есть свой рисунок у затруднения, беспокойства, ожидания, восторга — у всех эмоциональных состояний.

Бергер обнаружил, что ритмы бодрствования резко отличаются от ритмов сна; в последующих опытах канадского нейрофизиолога Джаспера и его английского коллеги Эдриана это подтвердилось. Эдриан предложил оценивать биопотенциалы мозга с точки зрения синхронизации и десинхронизации работы нейронов. Когда нейроны работают синхронно, то есть одновременно, на электроэнцефалограмме видны медленные высокоамплитудные волны, а когда вразнобой — быстрые низкоамплитудные. Картина синхронной работы как раз характерна для сна. Электроэнцефалограмма же, снятая во время напряженного бодрствования, выглядит почти плоской линией, иногда украшенной низковольтными колебаниями. Кажется, должно быть наоборот: чем интенсивнее деятельность, тем ярче ее электрический эквивалент. Так оно и бывает при записи биотоков со скелетной мышцы или сердца. А тут иначе: чем напряженнее работает мозг, тем более плоские и невыразительные линии выползают из-под самописцев прибора. В выпуклости и яркости ритмов отражается синхронность работы нейронов; их электрические сигналы, складываясь, рождают медленные ритмы. Работающим же вразнобой нейронам никак не сложить свои импульсы, и от этого линия на электроэнцефалограмме получается почти прямой, это как бы равнодействующая многих тысяч самостоятельных залпов.

Синхронизирующих механизмов, усиливающих свою деятельность, когда мы засыпаем, было найдено несколько — в области таламуса, в передней части гипоталамуса и перегородке, в нижней части ствола. Последний механизм был назван в честь своего открывателя аппаратом Моруцци.

Нейрофизиологи, экспериментируя над животными, начали снимать электроэнцефалограммы уже не со скальпа, а прямо с мозговых структур. Вот тут-то и обнаружилось, что представления о сне, как о пассивном процессе или как о торможении, лишены всякого основания. Это весьма активный процесс, целиком обязанный усиленной деятельности синхронизирующих систем. Кошкам вводили в мозг сразу несколько сот электродов. Во время бодрствования половина нейронов оказывалась у них в состоянии возбуждения, а половина была заторможена. Во время сна количественное соотношение не изменилось, изменилось лишь расположение возбужденных и заторможенных нейронов. Впоследствии же обнаружилось, что во сне многие нейроны даже усиливают свою спонтанную активность, а возбудимость нейронных систем в проекционных зонах коры возрастает. Словом, во сне мозг так же деятелен, как и в бодрствовании, только в эту деятельность часто вовлечены другие нейроны, и работают они в другом режиме.

В конце тридцатых годов английские нейрофизиологи Лумис, Хабарт и Дэвис предложили первую классификацию стадий сна, основанную на показаниях электроэнцефалографа. Получилось у них пять стадий — пять ступенек в глубину.

Во время стадии А на электроэнцефалограмме виден альфа-ритм (с частотой 9-12 герц). Постепенно он становится неравномерным, амплитуда его уменьшается, периодически он исчезает.

Наступает стадия В — дремота, или поверхностный сон. Электроэнцефалограмма представляет собой почти ровную линию, на фоне которой появляются волны более низкой, чем исчезнувший альфа-ритм, частоты, а именно тета– и бета-ритмы. Перед переходом к следующей стадии можно заметить так называемые вертекс-потенциалы — острые волны с большой амплитудой.

Стадия С — сон еще поверхностный, но уже настоящий. Появляются «сонные веретена» — группы волн с частотой 13-14 герц. Быстрые бета-ритмы пропадают; их место постепенно занимают низкоамплитудные колебания в дельта-диапазоне. В стадиях D и Е сначала на фоне сонных веретен, а потом уже и без них нарастает количество медленных дельта-волн с частотой 0,5-4 герца и относительно большой амплитудой.

Стадия D — сон средней глубины, стадия Е — самый глубокий сон.

Классификация Лумиса и его коллег продержалась без существенных изменений лет пятнадцать. Потом ее решили упростить. Стадию А объединили со стадией В, четыре получившиеся стадии перенумеровали римскими цифрами — от I до IV.

Иногда мы будем пользоваться этим упрощенным вариантом. Но чаще всего нам достаточно будет самого простого деления — на дремоту, стадию сонных веретен и дельта-сна.