Во время сна мозг продолжает активно работать. Одна из причин, почему важно уделять достаточно времени сну, заключается в том, что в это время мозг обрабатывает всю информацию, полученную за день. Он сортирует её, избавляется от ненужного и закрепляет важные данные в памяти. В этом тексте мы расскажем, что именно делает наш мозг во время сна и как это связано с процессом обучения.

Что происходит с нами во время сна

В 1928 году немецкий учёный Ганс Бергер впервые зарегистрировал электрическую активность мозга человека, получив запись электроэнцефалограммы (ЭЭГ). Это доказало, что кора головного мозга остаётся активной во время сна. Учёные также заметили высокоамплитудные волны частотой 0,5–4 Гц, которые назвали медленными, а саму фазу сна — медленно-волновым сном.

Медленный сон состоит из четырёх стадий:

1. Первая стадия представляет собой переход от бодрствования к засыпанию.
2. Во время второй стадии наблюдается "лёгкий" сон, при котором пульс и дыхание замедляются, а температура тела понижается.
3. Третья и четвёртая стадии характеризуются глубоким сном.

Фазы быстрого сна занимают 20–25% ночного сна, каждая из них длится 10–20 минут и чередуется с фазами медленного сна. Такой цикл повторяется 4–5 раз за ночь. Ранее считалось, что REM-сон (быстрый) играет ключевую роль в обучении и памяти, но новые исследования показывают, что фаза не-REM (медленного) сна важнее для закрепления памяти и обработки информации. Кроме того, эта фаза отличается большей спокойностью.

Роль разных частей мозга во время сна

• Гипоталамус содержит нервные клетки, которые действуют как центры управления сном и бодрствованием. В нём находится супрахиазматическое ядро ​​(SCN), которое получает информацию о свете.
• Ствол мозга (включающий мост, мозговое вещество и средний мозг) регулирует переходы между сном и бодрствованием. В гипоталамусе и стволе мозга вырабатывается ГАМК, вещество, которое снижает активность возбуждающих центров, а ствол мозга отправляет сигналы для расслабления мышц.
• Таламус передаёт информацию от органов чувств к коре головного мозга и остаётся активным во время быстрого сна, направляя коре сигналы, которые формируют образы, звуки и ощущения сновидений.
• Шишковидная железа, получая сигналы от супрахиазматического ядра, увеличивает выработку мелатонина, который способствует засыпанию.
• Базальный передний мозг участвует как в процессе сна, так и бодрствования, тогда как часть среднего мозга, наоборот, стимулирует активность. Высвобождение аденозина в базальном переднем мозге вызывает сонливость.
• Миндалевидное тело активизируется в фазе быстрого сна и отвечает за регулирование эмоций.

Как качественный сон способствует более эффективному обучению

Существует множество гипотез, объясняющих связь между сном и процессом обучения у людей. Исследования показывают, что сон играет роль не только в отдыхе, но и в обработке информации.
Фазы быстрого (REM) и медленного (NREM) сна выполняют разные функции в процессе консолидации памяти. REM-сон отвечает за закрепление недекларативных воспоминаний, таких как автоматические действия (например, езда на велосипеде или чистка зубов). Медленный сон (NREM) способствует закреплению декларативных воспоминаний, таких как исторические даты или новые термины. Таким образом, сон помогает мозгу редактировать и укреплять память согласно гипотезе синаптического масштабирования.

Сон обеспечивает более эффективное хранение информации, необходимой для обучения

Согласно исследованию профессора нейробиологии и психологии Калифорнийского университета в Беркли Мэттью Уолкера, сон играет ключевую роль в закреплении декларативных воспоминаний. В ходе исследования две группы участников выучили пары слов, после чего одна группа пошла спать, а другая осталась бодрствовать — затем обе группы были протестированы. Вторая часть эксперимента включала изучение новых пар слов перед повторным тестированием, чтобы усложнить задачу вспоминания. Однако участники, которые спали, лучше справились с заданием, благодаря сну их память оказалась более устойчивой.
Сон помогает переосмыслить и укрепить воспоминания. Исследования показывают, что те же паттерны мозговой активности, которые наблюдаются во время обучения, повторяются во время сна, только в ускоренном виде. Сон компенсирует усиление одних нейронных связей за счет ослабления других, что позволяет укрепить важные связи в периоды бодрствования.
Процесс обучения — это укрепление нейронных связей
Важной частью обучения является консолидация — переход от медленной, сознательной обработки информации к быстрой, автоматической. Это позволяет выполнять действия без особых усилий, что открывает возможность для улучшения навыков или изучения нового. Консолидации способствуют процессы, происходящие во время сна. Мозг активирует специальные алгоритмы, воспроизводящие события прошедшего дня и переносящие их в долговременную память, как отмечает Станислас Деан, автор книги «Как мы учимся».

В 1994 году израильские учёные провели эксперимент, подтвердивший эту теорию. В течение дня добровольцы обучались обнаруживать полосу в определённой точке на сетчатке глаза. Производительность в задаче медленно росла, пока не достигала определённого уровня, а после сна значительно улучшалась и сохранялась на этом уровне в течение нескольких дней. Если испытуемых будили в фазе быстрого сна, таких улучшений не наблюдалось, что подтверждает важность медленного сна для консолидации, в то время как быстрый сон поддерживает развитие перцептивных и моторных навыков.

Другое исследование, основанное на электрофизиологических записях префронтальной коры головного мозга крыс, показало, что кластеры клеток, активированных во время обучения, проявляли наибольшую активность во время сна. Эти воспроизведения были наиболее заметны во время медленного сна и сопровождались реактивацией гиппокампа. Таким образом, нейронные паттерны, сформированные во время обучения, воспроизводятся и консолидаются в последующем сне.