Наука о сне в последние годы развивается стремительно. Всё больше исследований связывают плохой сон с повышенным риском когнитивного снижения, более высокой вероятностью развития болезни Альцгеймера и даже с проблемами с сердцем. Сон перестал быть «пассивным» временем: сегодня его рассматривают как активный процесс, во время которого мозг восстанавливается, сортирует накопленную за день информацию и приводит в порядок собственную биохимию.
Параллельно носимая электроника — умные кольца и часы — изменила отношение ко сну у обычных людей. Часы отдыха превратились в подробные наборы данных: фазы сна, пульс, вариабельность сердечного ритма, температура тела. Многие изучают эти графики каждое утро, порой доходя до нездоровой одержимости — у сомнологов для тревоги из-за «неидеальных» показателей трекера даже появился отдельный термин, «орторсомния».
Джошита Маджумдар перед сеансом в томографе (слева). Актёры сериала «Друзья» (по часовой стрелке слева): Мэттью Перри в роли Чендлера Бинга, Мэтт Леблан в роли Джоуи Триббиани, Дэвид Швиммер в роли Росса Геллера, Дженнифер Энистон в роли Рэйчел Грин, Лиза Кудроу в роли Фиби Буффе и Кортни Кокс в роли Моники Геллер (справа). Изображение: Джошита Маджумдар / Auburn University (слева), Дэвид Бьерке / NBCU Photo Bank (справа)
Гораздо хуже изучено другое: как на химию мозга влияют мелкие повседневные колебания качества сна, которые неизбежны в нормальной жизни. Люди живут не в контролируемых лабораторных условиях, и даже у самого увлечённого поклонника биохакинга бывают ночи, когда полноценный сон уходит на второй план — из-за дедлайна, позднего ужина, стресса или просто интересного сериала.
Чтобы по-настоящему понять, как повседневный режим сна конкретного человека отражается на его мозге, этого человека нужно раз за разом помещать в томограф и собирать данные на протяжении долгого времени. Только так можно получить цельную картину, а не разовый «снимок» состояния, по которому трудно судить о закономерностях.
Именно на это согласилась Джошита Маджумдар, аспирантка кафедры электротехники и вычислительной техники Обернского университета (Auburn University) в американском штате Алабама. За 76 недель — почти полтора года — она 104 раза ложилась в университетский МРТ-сканер с индукцией поля 7 тесла. Такая выдержка заставила бы нетерпеливо заёрзать даже опытного практика дзен-медитации. К счастью, во время громких, тесных девяностоминутных сеансов у Маджумдар была особая компания — культовый ситком «Друзья».
Почему именно 7 тесла
Большинство клинических томографов в обычных больницах работают с полем 1,5 или 3 тесла. Сканеры на 7 тесла относятся к ультравысокопольным и встречаются в основном в крупных исследовательских центрах. Более сильное магнитное поле даёт лучшее соотношение сигнала и шума и более высокое разрешение, а значит, позволяет разглядеть то, что на обычном аппарате теряется в помехах.
Для этого исследования важна именно чувствительность: команду интересовала не анатомия мозга, а его химия. Концентрации нейромедиаторов, таких как глутамат, обычно оценивают методом магнитно-резонансной спектроскопии, и при высоком поле сигналы разных молекул разделяются заметно лучше. Обратная сторона — долгие сеансы в узком тоннеле под громкий стук и гул градиентных катушек, которые выдержит далеко не каждый.
За 76 недель Джошита Маджумдар 104 раза ложилась в 7-тесловый МРТ-сканер Обернского университета. Изображение: Джошита Маджумдар / Auburn University
По словам Маджумдар, на экране внутри аппарата по кругу шли четыре десятиминутных ролика из популярного ситкома 1990-х и начала 2000-х, каждый из которых был смонтирован из нескольких разных сцен. Идея была двойной. Во-первых, во время сеансов требовалось что-то, что не даст исследовательнице заскучать, а «Друзья» — это, по её собственному признанию, её «маленькая слабость». Во-вторых, это был один из первых сериалов, с которыми она по-настоящему сроднилась, когда иностранной студенткой привыкала к жизни в США, поэтому некоторые сцены вызывают у неё особенно ностальгические и эмоциональные чувства.
Как и положено хорошему ситкому, «Друзья» охватывают весь эмоциональный спектр — от лёгкой бездумной комедии, после которой мозг будто отключается, до сентиментальных сцен, способных довести до слёз. Для исследования, которое отслеживает изменения химии мозга, это потенциально идеальный фон.
«Если тебе весело — смотришь „Друзей“. Если грустно — смотришь „Друзей“. Так что для „Друзей“ подходит любое время, правда?» — говорит Маджумдар.
Влияние колебаний сна на химию мозга изучали и раньше, однако во многих таких работах испытуемых намеренно лишали сна. Это даёт яркий, но искусственный эффект: мало кто в обычной жизни проводит без сна сутки подряд. Долгосрочный подход Обернского университета тоньше и должен лучше отражать нюансы повседневности — небольшие недосыпы, беспокойные ночи и удачные дни, которые случаются у каждого.
«Это человек, который живёт своей жизнью, переживает обычные взлёты и падения, и мы видим, как на это реагирует химия мозга. Именно поэтому этот набор данных такой ценный. Он не искусственный. Он не вынужденный. Он настоящий», — объясняет научный руководитель Маджумдар, профессор кафедры электротехники и вычислительной техники Обернского университета Гопикришна Дешпанде.
Подобный формат в нейровизуализации называют «плотным семплированием»: вместо того чтобы один раз отсканировать сотню людей и усреднить результаты, учёные десятки раз сканируют одного и того же человека. Прецеденты уже были — например, нейробиолог Рассел Полдрак в рамках проекта MyConnectome около полутора лет регулярно исследовал в томографе собственный мозг. Сильная сторона такого подхода в том, что он показывает индивидуальную динамику, которая при усреднении по группе просто исчезает. Слабая — выводы, сделанные на одном человеке, нельзя автоматически распространять на всех.
Путь к 104 сканированиям
Маджумдар выросла в Калькутте, в индийском штате Западная Бенгалия, а в 2016 году переехала в США, чтобы получить степень магистра инженерных наук в Университете Джорджии с упором на машиностроение. Уже тогда её заинтересовало, как различные факторы окружающей среды влияют на работу мозга. Параллельно с напряжённой учёбой ей приходилось справляться и с тоской по дому: новая страна, а друзья и родные остались за тысячи километров.
Примерно тогда же Маджумдар начала смотреть «Друзей» — просто чтобы понять, из-за чего весь этот шум. Окружающие, казалось, были одержимы сериалом, а она его не видела и поначалу не понимала ажиотажа. Позже она вернулась к шоу со свежим взглядом, и всё встало на свои места. Среди её любимых персонажей — язвительный Чендлер Бинг (Мэттью Перри) и добродушный актёр Джоуи Триббиани (Мэтт Леблан).
«Я дала сериалу ещё один шанс и подумала: ого, да это же весело! А потом он стал моей маленькой слабостью», — вспоминает Маджумдар.
Выбор сериала неслучаен и в более широком смысле. «Друзья» выходили на канале NBC с 1994 по 2004 год, насчитывают десять сезонов и рассказывают о шестёрке молодых людей, которые живут в Нью-Йорке и проводят свободное время в кофейне Central Perk. Для многих иностранцев, приехавших в США, этот ситком стал неформальным учебником разговорного английского и американского быта, а тема «семьи, которую выбираешь сам» особенно близка тем, кто живёт вдали от родных.
Когда пришло время выбрать участника для нового длительного МРТ-исследования, Дешпанде, по словам Маджумдар, спросил, не хочет ли она стать добровольцем. У неё уже был опыт работы с томографами в прошлых проектах — достаточный, чтобы знать, что она не страдает клаустрофобией и её не пугает громкий «индустриальный» шум аппарата. И всё же ничто из сделанного прежде не могло сравниться с выносливостью и упорством, которые требовались, чтобы довести дело до конца. Поэтому команда решила не фиксировать заранее число сканирований и двигаться шаг за шагом, проверяя, сколько выдержит аспирантка.
«Мы сказали себе: хорошо, будем идти день за днём, неделя за неделей и посмотрим, как далеко сможем зайти», — рассказывает Маджумдар.
Не стоит недооценивать «Друзей»
Показывать в томографе «Друзей» предложила сама Маджумдар. Она смонтировала четыре десятиминутных ролика, каждый из которых состоял из сцен разных эпизодов. Материал сильно различался по тону — цель состояла в том, чтобы вызвать у мозга целый спектр реакций.
Одним из особенно продуманных решений стало включение фрагментов из эпизодов, посвящённых Дню благодарения. В США это один из главных семейных праздников, который отмечают в четвёртый четверг ноября, а у поклонников сериала «праздничные» серии давно считаются одними из самых любимых: в них на первый план выходят темы семьи, дружбы и товарищества. Иными словами, «Друзья» должны были примерно воспроизвести фон, на котором мозг Маджумдар живёт в обычные дни.
«В МРТ с заданием мы даём конкретный стимул, поэтому примерно представляем, что пытаемся активировать в мозге. А в натуралистическом режиме ты как будто помещаешь себя в реальную жизненную ситуацию», — поясняет Маджумдар.
Разница принципиальная. В классических экспериментах испытуемый выполняет строго заданные действия: смотрит на картинки, нажимает кнопки, решает задачи, а исследователи сравнивают активность мозга в разных условиях. Натуралистическая парадигма, при которой человек просто смотрит фильм или сериал, ближе к тому, как мы воспринимаем мир на самом деле, и в последние годы становится всё популярнее в нейронауках. Бонус такого подхода — видео помогает удерживать внимание, а значит, испытуемый меньше отвлекается и реже засыпает во время долгого сеанса.
Девятая серия третьего сезона, в которой герои играют в американский футбол, — одна из десяти серий «Друзей», посвящённых Дню благодарения. На фото (слева направо): Лиза Кудроу в роли Фиби Буффе, Дженнифер Энистон в роли Рэйчел Грин, Кортни Кокс-Аркетт в роли Моники Геллер, Мэтт Леблан в роли Джоуи Триббиани, Дэвид Швиммер в роли Росса Геллера и Мэттью Перри в роли Чендлера Бинга. Сериал выходил с 1994 по 2004 год. Фото: Гэри Налл / NBCU Photo Bank
Но и это ещё не всё. В каждом сеансе команда также включала примерно четырёхминутный клип на песню Love You Zindagi из болливудского фильма Dear Zindagi 2016 года — ленты о молодой женщине, которая с помощью психотерапевта пытается разобраться в себе и своих отношениях с близкими. Как и праздничные эпизоды «Друзей», клип выбрали за то, как в нём показаны друзья и семья. Кроме того, он напоминал Маджумдар о доме.
«Мои друзья и семья остались в Индии. Поэтому в зависимости от того, какие эмоции я испытывала в конкретный день, этот клип каждый раз отзывался во мне по-разному», — говорит исследовательница.
Вторник, четверг, половина восьмого вечера
Маджумдар и её коллеги быстро выработали распорядок для своей МРТ-одиссеи. Она приходила в университетский центр нейровизуализации по вторникам и четвергам, как правило около 19:30. На выбор был и ранний утренний слот, но исследовательница остановилась на вечернем, поскольку, по её словам, она не «жаворонок». Правда, у этого решения оказались свои издержки.
Довольно скоро выяснилось, что если плотно поесть непосредственно перед сеансом, в аппарате начинает кружиться голова. После одного неприятного случая Маджумдар взяла за правило выдерживать между едой и сканированием от полутора до двух часов. Поздние визиты, особенно после долгого дня работы над диссертацией, означали и то, что порой приходилось бороться с желанием уснуть. Хотя она проводила в аппарате по 90 минут подряд, условия эксперимента требовали держать глаза открытыми почти всё это время. Именно эта борьба со сном делает полученные результаты особенно интересными.
«Иногда мне немного хотелось спать, но это часть исследования. И как раз это мы и хотели показать: ты находишься в совершенно естественных условиях. Это не какой-то принудительный эксперимент, где тебя лишают сна или создают условия, способные вызвать иную реакцию мозга. Мы хотели посмотреть на реальную ситуацию: я просто живу своей жизнью, параллельно меня сканируют, и мы смотрим, как на это реагирует химия мозга», — объясняет Маджумдар.
Что показали данные
Помимо сеансов в томографе, Маджумдар записывала всё, что ела, и носила кольцо-трекер сна. Благодаря этому команда могла сопоставить показатели каждой ночи с результатами сканирования на следующий день и сравнивать закономерности на протяжении всего эксперимента. Анализ данных ещё продолжается, но одну важную связь учёные уже обнаружили: за 104 сеанса, собранных за 76 недель, после ночей с меньшей долей глубокого сна и большей долей поверхностного на следующий день, как правило, фиксировался более высокий уровень глутамата.
Глутамат — аминокислота, которая служит в мозге своего рода химическим посредником. Это главный возбуждающий нейромедиатор центральной нервной системы: он участвует в передаче сигналов между нейронами, обучении и формировании памяти. При этом его избыток нежелателен — слишком высокая концентрация глутамата может перевозбуждать нервные клетки и даже повреждать их. Глубокий, или медленноволновой, сон традиционно считают самой «восстанавливающей» фазой ночного отдыха.
В более раннем материале для университетского блога Маджумдар сравнила найденную закономерность с процессом «промывки»: во время полноценного сна мозг избавляется от побочных продуктов, которые накапливаются в периоды активного бодрствования. Эта идея перекликается с исследованиями так называемой глимфатической системы — механизма, с помощью которого, по данным экспериментов на животных, мозг особенно активно выводит метаболические «отходы» именно во сне.
«Ты просыпаешься со свежей головой. Но если этот процесс нарушается, это будет мешать тебе весь следующий день», — говорит Маджумдар.
Важно понимать ограничения работы. Пока речь идёт о данных одного человека и о статистической связи, а не о доказанной причинно-следственной зависимости. Кроме того, потребительские кольца определяют фазы сна косвенно — по пульсу, движениям и температуре — и уступают в точности лабораторной полисомнографии. Тем не менее сам масштаб наблюдений делает этот набор данных редким: немногие исследования могут похвастаться сотней сеансов ультравысокопольной МРТ одного и того же человека в реальной, а не лабораторной жизни.
Аспирантка кафедры электротехники и вычислительной техники Джошита Маджумдар (справа) и профессор той же кафедры Гопикришна Дешпанде (слева) изучали уровень глутамата в мозге на оборудовании центра нейровизуализации Обернского университета, включая 7-тесловый МРТ-сканер. Изображение: Auburn University
Не надоело ли ей пить кофе в Central Perk?
Работа Маджумдар в этой области только начинается. В дальнейшем она и её коллеги надеются привлечь к исследованию новых участников, чтобы сделать набор данных ещё богаче. Скорее всего, протокол при этом скорректируют, чтобы новым добровольцам не приходилось ложиться в томограф так же часто, как ей.
В перспективе исследовательница также рассчитывает с помощью искусственного интеллекта и других инструментов извлечь из записей информацию о чувствах и эмоциях, которые она испытывала во время МРТ-сеансов, в том числе в определённые моменты «Друзей». Это должно помочь лучше понять, что происходит в мозге, когда возникают те или иные переживания.
Для обычных пользователей умных колец и часов эта история — напоминание о том, что строчка «глубокий сон» в приложении не просто абстрактная цифра. Она может быть связана с вполне реальными биохимическими процессами, которые влияют на самочувствие и ясность мышления на следующий день.
Удивительно, но даже после полутора лет просмотра сериала в тесной грохочущей трубе «Друзья» Маджумдар так и не надоели. На вопрос, может ли она до сих пор смотреть этот легкомысленный ситком и не скучать, исследовательница отвечает без малейших колебаний: «Да, определённо».
