Я сама участвовала в эксперименте в лаборатории Стикголда и провела половину дня за игрой. Я стояла на платформе, наклонявшейся в разные стороны и имитировавшей неровности и повороты лыжной трассы, а руками держалась за «лыжные палки» — рычаги управления игрой, в ходе которой я чувствовала себя участницей соревнований по скоростному спуску. Мое внимание было приковано к экрану, на котором представали самые разные сложности, которые мне приходилось преодолевать: узкие проходы между скалами, крутые повороты. В эту ночь, стоило мне лечь в постель и закрыть глаза, как передо мной возникли образы из игры. Перед тем как выключить свет, я читала в кровати газету и полагала, что, засыпая, увижу что-то из прочитанного, однако то, что я увидела на самом деле, послужило лишь еще одним доказательством правоты Стикголда.
«Мы считаем, что наш разум принадлежит только нам, но у мозга существуют свои собственные законы, согласно которым он реактивирует наши воспоминания и предъявляет их разуму, а подобными исследованиями мы пытаемся его перехитрить и заставить продемонстрировать некоторые из этих законов, — говорит Стикголд. — Память хранится в коре, но хранится по-разному, и во время сна мозг буквально работает как веб-браузер, сортируя новый опыт по различным системам памяти, чтобы сформировать ассоциации и связи, помогающие нам видеть и понимать смысл окружающего нас мира».
Стикголд предполагает, что доступ к автобиографической памяти заблокирован во время всех сновидений, а не только тех, которые возникают в период засыпания. Не получая никакой информации от окружающего мира или не имея доступа к системе памяти, которая обычно организует наш мир во время бодрствования, мозг вынужден искать творческие пути для связи данных, полученных в результате нового опыта, с уже существующими воспоминаниями. Укладываясь в более сложные повествовательные сновидения, которые посещают нас на поздних стадиях сна, новый опыт проникает в них какими-то странным образом связанными обрывками, а не настоящим повтором автобиографических воспоминаний, как показало проведенное в 2003 году исследование Магдалены и Роура Фосси — коллег Стикголда по гарвардской лаборатории нейрофизиологии. По их просьбе 29 человек в течение двух недель скрупулезно записывали все, чем они занимались, с чем сталкивались и по поводу чего переживали в течение дня, плюс к этому они записывали все сны, которые только могли вспомнить. Когда записи сновидений сравнили с записями дневного существования, то стало видно, что 65 процентов сновидений включали в себя какие-то аспекты дневного опыта и только два процента сновидений содержали воспоминания из автобиографической памяти; включения реального опыта содержали как минимум три его составляющих: место действия и какой-либо из персонажей, объектов или действий.
Не во всех сновидениях присутствовали элементы дневных переживаний — на самом деле некоторые исследования показывают, что то, что Фрейд назвал бы «дневными остатками», проявляется лишь в почти половине из них. Судя по экспериментам, которые еще с конца 1980-х ведет Тор Нильсен, руководитель Центра изучения сна в монреальской больнице Сакре-Кёр, когда мозг вплетает эти элементы в сновидения, он следует определенной модели: дневные переживания появляются сначала на ранней стадии и в некоторых случаях снова возникают спустя неделю. Эту модель он назвал «эффектом запаздывания сновидения». То есть это вполне типично, чтобы что-то из дневного переживания появлялось в сновидениях в последующую ночь в виде персонажа, места действия или другого присущего этому переживанию элемента, извлеченного из расположенных в коре сетей, которые первыми получают информацию об опыте. На следующую ночь вероятность того, что в сновидении возникнет элемент опыта, полученного в позавчерашний день, снижается наполовину. Если опыт этот возникает в сновидении, то не раньше чем через неделю. В ходе дальнейших исследований Нильсен обнаружил, что «эффект запаздывания сновидения» более характерен для женщин (у мужчин он встречается редко — их опыт проявляется в первую или вторую ночь) и что материал, который заново проигрывается через неделю, чаще всего бывает эмоционально значимым. «Бывают сновидения, о которых говорят, что они задают настроение на весь последующий день или что в результате их люди становятся чувствительными по отношению к вещам, которые обычно игнорируют, — говорит Нильсен. — Такие сновидения обычно пропитаны чувством печали, гневом — но не страхом. Это сновидения-озарения, а не кошмары».
Нильсен также обнаружил, что «эффект запаздывания сновидения» после особенно тревожащего или способного вызвать страх опыта проявляется несколько позже. Когда он продемонстрировал группе добровольцев крайне неприятный фильм о том, как индонезийские крестьяне в ритуальных целях убивают буйвола, самые отталкивающие моменты проявились в сновидениях спустя три дня после просмотра, а повторное их появление случилось еще через неделю, то есть на десятый день. Эта модель соответствует рассказам тех, кто совершил свой первый прыжок с парашютом: этот опыт возник в сновидениях через три дня, а потом — на десятый день после прыжка.
«Эффект запаздывания сновидения», возможно, соответствует тому времени, который необходим гиппокампу для переработки информации и постепенной загрузки ее в неокортекс, где она вновь становится доступной в качестве пищи для сновидений, и Нильсен считает, что особо стрессовые события впервые проявляются в сновидениях с отсрочкой потому, что мозгу требуется больше времени для обработки связанных с этим событием негативных эмоций. Таким образом, роль сновидения в консолидации памяти эволюционировала у людей — благодаря нашему дару, или проклятию, быть существами эмоциональными — от первоначальной тренировки навыков выживания в нечто куда более сложное.
Процесс обучения — один из вариантов консолидации памяти, и не важно, что именно вы учите: это может быть первым уроком игры на фортепиано или зубрежкой дат перед экзаменом по истории. Исследователи собрали множество доказательств того, что сновидения вкупе со сложной комбинацией ментальной активности во время других стадий сна играют значительную роль в усвоении новой информации и навыков. «Многие мои коллеги-ученые занимаются музыкой, и они рассказывали о том, как, разучивая какие-то новые музыкальные пьесы, долго и безуспешно бились над особенно трудными местами, а потом, после пары дней, точнее ночей, у них все вдруг получалось само собой, — рассказывает Дэн Марголиаш, профессор биологии Чикагского университета. — Почему так, что это может означать? Мы просто обязаны задавать такого рода вопросы и изучать их столь же усердно, как изучаем другие поведенческие аспекты».
Подобно Мэтью Уилсону, Марголиаш искал ответы, изучая поведение животных, и обнаружил, что птицы во сне заново проигрывают и усовершенствуют брачные песни своего вида — совсем как крысы, которые во сне повторяли путь по лабиринту. Марголиаш изучал зебровых амадин23, крохотных птичек, которые учат свои песни, имитируя пение взрослых особей. «Постоянно повторять свою песню и слушать себя нужно не только молодым особям, тем, кто только ее разучивает, — взрослые особи также ее повторяют, чтобы поддерживать правильное исполнение. Людям тоже необходимо регулярно слышать звучание собственного голоса, иначе качество их речи понижается, подобно тому как изменяется звучание речи у тех, кто во взрослом возрасте потерял слух», — объясняет Марголиаш.
Прежде ученые считали, что обратная слуховая связь, необходимая птицам для того, чтобы поддерживать свое пение в форме, происходит, когда птица по-настоящему поет, в период бодрствования, но, когда Марголиаш записал сигналы от нейронов, ответственных за пение, поступающие и в период бодрствования, и во сне, он обнаружил нечто совершенно неожиданное: и в период бодрствования, когда птица действительно пела, и во сне был задействован один и тот же паттерн импульсов. Поначалу исследователи обнаружили, что этот паттерн импульсов воспроизводился, когда спящей птице проигрывалась запись ее пения, но потом они увидели этот же паттерн импульсов и когда запись не звучала, а это означало, что во сне, особенно в стадии медленного сна, птица повторяла и повторяла свою песню.
Однако же если во время сна птицы звуковые сигналы, ассоциирующиеся с повторными исполнениями песни, свободно перетекали между областями мозга, ответственными за пение, то по пробуждении эта слуховая обратная связь прерывалась, как будто опускался какой-то барьер. Основываясь на этих данных, Марголиаш высказал гипотезу, что зебровые амадины подстраивают, совершенствуют исполнение своей песни не тогда, когда они ее действительно поют, а накапливая обратные слуховые сигналы в том участке птичьего мозга, который эквивалентен гиппокампу, чтобы проигрывать их во сне, — таким образом как бы автономно настраивая сети ответственных за пение нейронов. То есть он предположил, что нервным системам и людей, и животных трудно модифицировать себя в то время, когда они поют на самом деле или, в случае с людьми, например, разучивают новый гимнастический элемент.
Однако же если во время сна птицы звуковые сигналы, ассоциирующиеся с повторными исполнениями песни, свободно перетекали между областями мозга, ответственными за пение, то по пробуждении эта слуховая обратная связь прерывалась, как будто опускался какой-то барьер. Основываясь на этих данных, Марголиаш высказал гипотезу, что зебровые амадины подстраивают, совершенствуют исполнение своей песни не тогда, когда они ее действительно поют, а накапливая обратные слуховые сигналы в том участке птичьего мозга, который эквивалентен гиппокампу, чтобы проигрывать их во сне, — таким образом как бы автономно настраивая сети ответственных за пение нейронов. То есть он предположил, что нервным системам и людей, и животных трудно модифицировать себя в то время, когда они поют на самом деле или, в случае с людьми, например, разучивают новый гимнастический элемент.
Марголиаш — а он из тех людей, кто не склонен принимать себя слишком уж серьезно, что видно уже по тому, что его электронный адрес начинается словом bigbird24, — говорит, что поначалу сам скептически отнесся к собственной гипотезе о том, что птичья песня воспроизводится и настраивается именно во сне, потому что она показалась ему «несколько странноватой». Но теперь и он поверил растущему количеству свидетельств того, что и богатый сновидениями период быстрого сна, и период медленного сна играют незаменимую роль в процессе обучения. И данные эти получены не только в его лаборатории, но и в других исследовательских центрах во всем мире.
Научное предположение о том, что хороший сон улучшает человеческую способность к обучению, впервые появилось в докладе, опубликованном в 1924 году, но результаты экспериментов, проводившихся после того, как в 1950-х была открыта фаза REM, подвергли это предположение большим сомнениям. Экспериментаторы требовали, чтобы испытуемые учили разного рода факты, вроде запоминания пар слов, не имеющих между собой никакой явной связи, типа «корова — лестница». После чего мешали людям спать и проверяли, влияет ли отсутствие сна на результаты. Никакого влияния не было, и поэтому исследователи пришли к ошибочному выводу, что связи между сном и обучением тоже не существует.
Но потом ученые все-таки обнаружили, что различные стадии сна предназначены для различных типов обучения, — об этом мне рассказал Карлайл Смит, который еще в 1970-х начал изучать связь между обучением и сном. Карлайл Смит принадлежит к тому поколению американских исследователей сновидений, которые отправились во Францию работать в лаборатории пионера этой области науки Мишеля Жуве. «Мы целый месяц выпиливали брусочки, из которых строили лабиринт для мышей, а потом в течение десяти дней круглосуточно записывали их мозговую деятельность. Те мыши, которые проявляли большую сообразительность в беге по лабиринту, демонстрировали и большую мозговую активность в фазе REM, — вспоминает Смит, ныне профессор психологии Университета Трент в канадском городе Питерборо. — Сам-то я никогда не сомневался в том, что сон и обучение связаны между собой, но теперь накопилось достаточно данных, чтобы этим вопросом заинтересовались и другие».
Постоянно накапливаемые данные исследований Смита и других помогли объяснить, как именно влияют на обучение сновидения и другие когнитивные процессы на разных стадиях сна. Вскоре после засыпания мы входим в стадию легкого сна, известную как стадия II, и, похоже, именно эта фаза ответственна за совершенствование новых навыков у музыкантов, спортсменов и танцоров, причем это наступает через день или два после первого знакомства и тренировки этого навыка.
В 2002 году ученый из Гарварда Мэтью Уокер провел исследование, в результате которого обнаружил, что 20 процентов улучшения моторных навыков усваиваются в том случае, если испытуемые входили в стадию II в последние два часа перед утренним пробуждением. «Чтобы получить максимальную пользу от тренировки или упражнений, когда вы осваиваете что-то новое в избранном виде спорта или в игре на музыкальном инструменте, вы должны хорошенько выспаться хотя бы в первую ночь после первоначального освоения этого нового навыка, чтобы не пропустить финальный период стадии II, наступающий незадолго до пробуждения», — считает Смит.
Вслед за стадией II наступает стадия глубокого медленного сна, предшествующая быстрому сну. Медленный сон занимает 80 процентов первой половины всего времени ночного отдыха. Во время второй половины ночного сна доля REM резко возрастает, чередуясь со стадией II. Медленный сон важен для освоения задач, связанных с фактической памятью, например с зазубриванием дат для экзамена по истории. А вот насыщенный сновидениями быстрый сон, напротив, необходим для освоения того, что связано с процедурной памятью — с тем, каким образом что-то делается, в том числе и с освоением новых поведенческих стратегий. Исследования показали, что доля REM в первую ночь после тренировки таких задач возрастает, и если испытуемого в эту ночь намеренно лишить фазы REM, то на следующий день качество выполнения этих задач резко падает.
В 1994 году группа израильских ученых под руководством Ави Карни и Дова Саги провела ставшее широко известным исследование по выполнению задач, связанных с визуальным различением: испытуемые должны были определить форму заполненной полосами области, вспыхивающей на экране компьютера на определенном тестовом фоне. Они обнаружили, что скорость выполнения этой задачи по процедурному обучению возрастала не во время тренировки, но через восемь часов после ее завершения. Если при этом испытуемых будили во время фазы REM, у них не получалось освоить эту задачу, а вот если их будили во время медленного сна, выполнение ее никоим образом не ухудшалось.
После этого другие ученые не раз использовали эту израильскую методику и пришли к выводу, что для оптимального обучения необходима комбинация обоих типов сна, не только REM. Одно из исследований указывает на то, что выполнение новых задач в значительной мере улучшается, если мы получаем достаточную долю медленного сна в первую четверть ночи и достаточную долю сна быстрого — в последнюю четверть. Мэтью Уилсон обнаружил, что это же касается и крыс, и предположил, что во время медленного сна следы памяти удерживаются в гиппокампе для того, чтобы пройти необходимую обработку позднее, во время сна со сновидениями, в особенности во время фаз REM, наступающих во вторую половину ночи. Во время этих поздних стадий REM гиппокамп и соответствующие структуры лимбической системы, такие как миндалевидное тело (которое обрабатывает эмоциональную информацию), обмениваются данными с высокоуровневыми центрами в неокортексе, таким образом усиливая память и закрепляя усвоение.
Теория о том, что мозг во время фазы быстрого сна не только производит сновидения, но и осваивает новые знания, получила подтверждение и с помощью молекулярной биологии. В клетке содержится набор генов, каждый из которых выполняет в организме свои определенные функции. Когда гену надо выполнять предначертанную ему ДНК роль, он активируется, и теперь эту активность можно измерить. Эта измеряемая активность называется генной экспрессией, проявлением гена. Исследование, проведенное в 2002 году, обнаружило, что специфический ген, который проявляется у крыс, когда они в период бодрствования чему-то учатся, снова и очень сильно проявляется во время поздних фаз REM, а это указывает на то, что изменения на молекулярном уровне, связанные с обучением, происходят как раз в фазе быстрого сна. А если гиппокамп ввести в состояние бездействия, например с помощью анестезии, в неокортексе не наблюдается и связанной с обучением генной экспрессии.
«Существует гипотеза о том, что следы памяти из гиппокампа переходят в неокортекс для длительного хранения, и наше исследование показывает, что это может происходить во время фазы быстрого сна. Особенно во время поздних фаз REM — именно тогда гиппокамп и беседует с неокортексом», — говорит Константин Павлидес, нейрофизиолог из Рокфеллеровского университета. Он один из авторов исследования и протеже Джонатана Уинсона, чьи теории о биологических функциях REM, высказанные еще в 1970-х годах, подкрепляются ныне данными молекулярной биологии.
Исследование, демонстрирующее, что процесс обучения наступает, когда мы отплываем в страну снов, придает новый смысл пословице «Утро вечера мудренее». «Я предполагаю, что, хотя поздние периоды REM особенно благоприятны, для обучения важен полный цикл сна», — считает Смит. Имеется смысл и в «тихом часе». В недавнем исследовании, проведенном в Гарварде группой Роберта Стикголда, испытуемых учили выполнять на компьютере определенную визуальную задачу, и их результаты к концу четвертого за день практического занятия из-за умственной усталости понижались. Но если они после завершения второго занятия полчаса дремали, результаты оставались на том же уровне, а если «тихий час» длился все шестьдесят минут, то на третьем и четвертом занятиях результаты становились выше.