Á háskólanum í Lübeck láta vísindamenn þátttakanda sofa með rafskaut á höfðinu og geta þannig fylgst með mismunandi stigum svefnsins.

Það virðist sjálfgefið að við þurfum á góðum nætursvefni að halda eftir annasaman vinnudag en fyrir vísindamönnum er það reyndar ráðgáta hvers vegna við þurfum yfir höfuð að sofa. Enginn vafi leikur á að svefn er algjörlega nauðsynlegur því verði maður vansvefta yfir nokkurn tíma getur maður að lokum hreint ekki haldið sér vakandi og það dregur úr virkni heilans þannig að örðugara verður að einbeita sér og leysa vandasöm verkefni.

En þrátt fyrir að margt bendi til þess að svefninn sé mikilvægur fyrir fjölmörg ferli í heila og líkama þá skilja vísindamenn ekki hvers vegna þessi sömu ferli gætu ekki allt eins átt sér stað í vöku. Eins vita þeir ekki hvers vegna svefnþörf spendýra sveiflast allt frá einungis 3 tímum hjá fílum yfir í heila 20 tíma hjá leðurblökum meðan hvalir og höfrungar sofa alls ekki með sama hætti og flest önnur dýr.

Rafskaut afkóða svefninn

Vísindamenn skipta svefni í fjóra fasa: N1, N2, N3, ásamt REM-svefni og eru þeir þrír fyrstnefndu til samans kallaðir Non-REM eða til styttingar NREM. Hjá mönnum samanstendur nætursvefn af mörgum hringrásum sem vara í um 90 mínútur og hefjast jafnan í fasa N1 og halda þessu næst í gegnum N2 og N3, en lýkur að lokum í REM-fasa. Sérhver hringrás getur þó vikið frá þessu mynstri og tímabilin með REM svefni lengjast eftir því sem líður á nóttina, meðan hinn djúpi N3-svefn fyrirfinnst oftast í fyrstu svefnhringrásunum. Svefnin getur rofnað í stutta stund þar sem maður nánast vaknar alveg upp og gerist það oftast í REM-svefni þar sem flestir draumar okkar eiga sér stað. Sérhver svefnfasi einkennist af heilabylgjum með tiltekinni tíðni ásamt sérstökum einkennandi augna- og vöðvahreyfingum. Með því að staðsetja rafskaut á höfuð, augnalok og vöðva í tilraunum er mögulegt að fylgjast með svefninum í gegnum öll þessi stig.

Langflest spendýr sofa í hringrásum með REM- og NREM-svefni. Hið sama á við fugla sem þó hafa umtalsvert minni REM-svefn. Á hinn bóginn hefur ekki tekist að sýna fram á slíkt hjá skriðdýrum sem hafa hvíldarfasa er minnir á NREM en skortir djúpsvefn. Froskar, fiskar, skordýr og einfaldari dýr eiga sín hvíldartímabil á hverjum sólarhring sem að líkindum samsvarar svefni, þrátt fyrir að aldrei hafi tekist að leiða í ljós heilabylgjur sem svara til REM- og NREM-svefns spendýra. En þar sem ástand líkt svefni kemur fyrir í gjörvöllu dýraríkinu eru flestir fræðimenn sammála um að svefninn hljóti að eiga sér markmið – spurningin er einungis: hvaða markmið?

Einn viðurkenndasti og jafnframt umdeildasti sérfræðingur í svefni er Bandaríkjamaðurinn Jerome M. Siegel við UCLA í BNA. Hann heldur því fram að menn og önnur dýr séu einungis vakandi þegar það gagnast þeim. Þegar dýr nota ekki tíma sinn í að viðhalda lífinu er það einfaldlega skynsamlegt að sofa þar sem dýrið sparar þannig orku. Áhættan að vera étinn af rándýri mun jafnframt oft vera minni þegar dýr sofa enda eru þau síður áberandi.

Kenningu sinni til staðfestingar hefur Jerome Siegel borið saman svefnþörf hjá fjölmörgum dýrategundum. Niðurstöður hans sýna að svefnþörfin ræðst í miklum mæli af hitaeiningamagni í fæðu dýranna. Plöntuætur hafa mjög hitaeiningasnauða fæðu og þurfa því langan tíma til að éta og því ályktar Siegel að þau hafi minni tíma til að sofa. Á hinn bóginn er fæða rándýra hitaeiningarík og því geta þau leyft sér að sofa mun lengur.

Kaffi dregur úr svefnþörfinni

Jerome Siegel telur því að svefnþörf manna og dýra stafi að miklu leyti af lifnaðarháttum þeirra og endurspegli því ekki fyrirfram gefna þörf, heldur sé fremur hagnýt skipulagning sólarhringsins. Sú spurning vaknar hvort mennirnir geti þá valið að sofa mun minna til að öðlast meiri tíma til athafna. Þessu svarar Jerome Siegel svo:

„Það myndi vera erfitt fyrir menn að spjara sig án svefns því við höfum lagað okkur að tiltekinni svefnlengd og líkami okkar hefur þróast til að afkasta sem mestu í vöku. Breytingar á svefnmynstri myndu því vafalítið hafa áhrif á heilbrigði með einum eða öðrum hætti.“ Hann bendir þó hins vegar á að miklar breytingar eigi sér nú stað á svefnvenjum manna: „Milljónir eða jafnvel milljarðir manna takmarka nú þegar svefnþörf sína með kaffidrykkju og það hefur engar umtalsverðar afleiðingar.“

Ýmislegt bendir einnig til að svefnmynstur manna hafi breyst frá því að raflýsing var algeng fyrir um einni öld. Fyrir þann tíma fylgdi háttatíminn í meira mæli myrkrinu og á vetrum var algengt að fara að sofa skömmu eftir að sólin gekk til viðar og fara á fætur þegar haninn galaði við sólarupprás. Sumir mannfræðingar telja að menn hafi þá sofið tveimur tímum lengur að jafnaði dag hvern en þeir gera nú á dögum, og að svefninn hafi einatt verið rofinn af vökuástandi í allt að tvo tíma þar sem menn ýmist lágu áfram í rúmi sínu eða sinntu smærri verkefnum.

Þessu til staðfestingar gat Thomas A. Wehr við National Institute of Mental Health í Bethesda í Maryland í BNA þegar árið 1994 sýnt að náttúruleg svefnþörf ræðst af lengd nætur. Hann gerði tilraun með 8 þátttakendum sem áttu að dvelja 14 tíma hverja nótt í myrkruðu herbergi og máttu ekki aðhafast annað en að hvíla sig eða sofa. Fyrstu nóttina sváfu þátttakendurnir að meðaltali 10,7 tíma og í 4 vikna langri tilrauninni lagði meðaltal nætursvefns sig á 8,9 tíma. Þetta er umtalsvert lengra en þeir 7,2 tímar sem sömu þátttakendur sváfu við eðlilegar aðstæður.

Genin stýra innri klukku okkar

Enginn vafi leikur á að svefninn er á margan máta skilyrtur af reglubundinni skiptingu dags og nætur. Öll dýr og plöntur hafa innri líffræðilega klukku sem stýrir fjölmörgum lífeðlisfræðilegum þáttum og atferli. Þessi náttúrulega klukka stýrist af fjölmörgum genum sem hafa innbyrðis áhrif hvert á annað þannig að þau ýmist kveikja og slökkva til skiptis á reglubundnum ferlum. Þessi innri klukka stjórnast í raun af sjálfu sér í hringrás nærri 24 klukkustundum, en verður fyrir áhrifum ljóss sem fær hana til að fínstilla eða endurstilla sig tvisvar sinnum á sólarhring, nefnilega á hádegi og miðnætti.

Þessa líffræðilegu klukku er að finna í undirstúkunni djúpt inni í heilanum og þaðan sendir hún boð um „hvað klukkunni líður“ til annarra hluta heilans. Samverkandi með henni er að finna eins konar hitamæli sem sér til þess að við þreytumst eftir að hafa vakað tiltekinn tíma. Sumar af taugafrumum heilans í undirstúkunni seyta frá sér m.a. hormóninu orexín sem fær heilann til þess að vakna og halda sér vakandi.

Svefntruflanir fatla sjúklinga

Í heilastofninum mynda vaknaðar taugafrumur efnið adenósín sem safnast upp eftir því sem líður á daginn. Þetta efni hefur hamlandi áhrif á einmitt þær taugafrumur í stúkunni sem urðu til að vekja heilann þannig að þegar magn adenósíns í heilanum nær tilteknu marki fer framleiðsla á orexíni að falla á ný. Mörg önnur efni – m.a. melatónín – eiga sinn þátt í að viðhalda víxlverkun milli svefns og vöku og það er þetta ferli sem gerir það að verkum að hafi maður ekki fengið nægan svefn í nokkurn tíma eykst svefnþörfin.

Vísindamenn þekkja til margra þeirra gena og svæða heilans sem taka þátt í að stýra svefninum og ef genin stökkbreytast eða skaðast af sjúkdómum hefur það oft umtalsverð áhrif á svefninn. Árið 2009 lagði ítalski læknirinn Roberto Vetrugno við háskólann í Bologna þannig fram greinargerð um tvær persónur á fimmtugsaldri sem þjáðust af sjúkdóminum Multiple System Atrophy (MSA) sem verður til þess að taugafrumur í vissum svæðum heilans hrörna og deyja. Hjá einmitt þessum tveimur sjúklingum varð það til þess að geta heilans til að stýra jafnvægi milli svefns og vöku minnkaði og afleiðingin var sú að sjúklingarnir fengu aldrei almennilegan svefn. Þegar þeir lögðu sig til svefns að kvöldi dags liðu þeir inn í afar órólegt ástand þar sem heilabylgjur þeirra minntu aðeins að litlu leyti á það sem menn greina venjulega við fjögur stig svefnsins.

Báðir sjúklingarnir sváfu einungis hinum létta N1-svefni ásamt REM-svefni sem þó innihélt afar magnþrungna drauma þar sem sjúklingarnir létu öllum illum látum. Þessi undarlegi svefn varði einungis í fáeinar mínútur í hvert sinn og var um nóttina rofinn mörgum sinnum af stuttum tímabilum þar sem sjúklingarnir voru vakandi en þjáðust af öflugum ofskynjunum og voru illa áttaðir. Með segulómun gat Roberto Vetrugno sannað að sjúklingarnir voru skaddaðir í þeim hluta heilastofnsins sem stýrir dægurtaktinum og að þetta væri orsök þessara miklu svefntruflana.

Algengari svefntruflun er svonefnd drómasýki þar sem of fáar frumur framleiða orexín í undirstúkunni. Afleiðingin er sú að heilinn á erfitt með að halda sér vakandi og því falla sjúklingar oft í svefn um miðjan dag, stundum þegar þeir eru önnum kafnir. Þrátt fyrir að hafa fengið sér þennan dúr þreytast þeir skjótt aftur og þegar svefnþörfin gerir vart við sig er þeim oft ógjörlegt að halda sér vakandi. Önnur svefntruflun, FASPS (Familial Advanced Sleep Phase Syndrome), er algengari og verkar á náttúrulegu klukkuna þannig að dægurtaktur sjúklinga hnikast til um fjóra tíma fram á við. Þeir fara því afar snemma að sofa og vakna að sama skapi fljótt en eiga annars engin önnur vandkvæði með svefninn.

Sindurefni hreinsuð í svefni

Þrátt fyrir að vísindamenn viti heilmikið um þau ferli sem stýra daglegri víxlverkun milli svefns og vöku útskýra þau ekki markmiðið með svefni. Þrátt fyrir að Jerome Siegel telji dýr einungis sofa þegar þau hafa ekkert annað fyrir stafni þá sýndi rannsókn hans á svefnþörf dýra hins vegar annað samhengi sem stríðir gegn þessari kenningu. Í ljós kom nefnilega að smávaxin dýr – sem hafa stórt yfirborð miðað við þyngd og þurfa því að borða mikið til að viðhalda orku sinni – sofa að jafnaði meira en stór dýr. Þumalputtareglan er því sú að í sérhvert sinn sem dýr er 10 sinnum þyngra minnkar dagleg svefnþörf þess um einn og hálfan tíma. Bandarískir vísindamenn útskýra þessa bersýnilegu mótsögn með því að það gagnist einmitt smávöxnum dýrum, sem auðveldlega geta kólnað, að koma sér fyrir í hlýju bæli og spara orkuna með miklum svefni.

Hin hröðu efnaskipti smávaxinna dýra leiða hins vegar einnig til þess að frumur þeirra mynda töluvert magn af skaðlegum sindurefnum sem brjóta niður frumuhimnur, prótín og erfðaefni og flýta þannig fyrir öldrun. Þegar dýrin sofa hægist á efnaskiptunum sem veitir líkamanum tækifæri til að hreinsa burt uppsöfnuð sindurefni. Þegar árið 2002 gat Jerome Siegel þannig sannað að sé rotta svipt svefni jókst magn sindurefna í heila hennar. Svefninn getur því verið verkfæri til að vernda taugafrumur heilans og aðrir fræðimenn hafa framkvæmt tilraunir sem benda til að svefn geti einnig örvað myndun nýrra taugatenginga. T.d. hefur komið í ljós að mörg gen sem taka þátt í slíkum ferlum virkjast meðan á svefni stendur og að virkni þeirra minnkar hjá vansvefta dýrum.

Svefnin hjálpar ónæmiskerfinu

Fjölmargar rannsóknir á bæði dýrum og mönnum benda auk þess til að ónæmiskerfið reiðir sig á góðan nætursvefn til að hámarka getu sína. Monica Levy Andersen við Universidade Federal de São Paulo í Brasilíu sýndi árið 2007 hvernig svefnskortur virkar á fjölda hvítra blóðkorna í rottum.

Í 21 dag fengu dýrin einungis tækifæri til að sofa 8 – 9 tíma á sólarhring en höfðu jafnan sofið minnst 12 tíma. Eftir þrjár vikur hafði fjöldi hvítra blóðkorna fallið um 20% miðað við þær rottur sem höfðu fengið eðlilegan svefn. Minnkunin náði allt að 40% á svonefndum eitlafrumum – sérstakri gerð hvítra blóðkorna sem gegna mikilvægu hlutverki í ónæmiskerfinu. Afleiðingin af fækkun þeirra getur samkvæmt fræðimönnum verið orsök þess að dýrunum er frekar hætt við sýkingum.

Enn er ekki ljóst hvernig svefnskortur hamlar ónæmiskerfið og hormónaframleiðslu. En vitað er að náttúrulega klukkan hefur áhrif á mörg ferli í líkamanum, þ.m.t. fjölmörg hormón. Þrátt fyrir að svefnskortur vanstilli ekki endilega náttúrulegu klukkuna er ekki óhugsandi að um samhengi sé að ræða. Geta svefnsins til að styrkja ónæmiskerfið og stýra hormónaframleiðslunni getur hins vegar ekki ein og sér verið afgerandi orsök þess að við þurfum á svefni að halda, því engin ástæða er til að ætla að ofangreind ferli þurfi nauðsynlega að fara fram í meðvitundarleysi svefnsins. Því hlýtur svefninn að hafa annað markmið sem krefst þess að meðvitundin og venjuleg virkni heilans sé slegin út.

Jan Born og félagi hans Suzanne Diekelmann við háskólann í Lübeck í Þýskalandi telja sig vita hvað það er. Þau hafa um margra ára skeið rannsakað virkni minnisins og þar gegnir svefninn veigamiklu hlutverki.

Menn og flest önnur dýr geta geymt nýja þekkingu með tvennum hætti. Annars vegar í skammtímaminni og hins vegar í langtímaminni. Með einföldum hætti vinnur skammtímaminni skjótt og skilvirkt þ.e.a.s. það þarf einungis að kynnast nýrri þekkingu í eitt sinn sem síðan er geymd í minninu. Þessi geymsla er þó skammvinn og til að viðhalda nýrri þekkingu í lengri tíma þarf að flytja hana yfir í langtímaminnið sem er ekki jafn skjótvirkt. Það þarf að endurtaka nýju þekkinguna mörgum sinnum áður en hún festir rætur og þar skiptir svefninn sköpum.

Minningar endurteknar í heilanum

Fjölmargar rannsóknir sem Jan Born og aðrir fræðimenn hafa framkvæmt benda nefnilega til að langtímaminnið endurtaki allar sínar minningar hvað eftir annað meðan á svefni stendur til að festa þær í sessi. Það er mögulega þetta ferli sem er grundvallarmarkmið með svefninum eða eins og Suzanne Diekelmann segir: „Þessi yfirfærsla í langtímaminnið getur einungis átt sér stað í meðvitundarlausu ástandi, því hún krefst virkjunar á sömu tauganetum sem heilinn notar til að vinna úr upplýsingum í vöku.“

Væri þetta ferli í gangi meðan við erum vakandi myndi langtímaminnið stöðugt vera upptekið við að endurnýja hvaðeina sem við lærum og upplifum fyrr um daginn og því myndi langtímaminnið hafa minni tíma til að tileinka sér nýja þekkingu og nýjar minningar úr skammtímaminninu. Árið 2007 gerðu þýskir vísindamenn tilraun þar sem þeir nýttu svefninn til að betrumbæta frammistöðu þátttakenda í minnisspilinu „Memory“. Í því liggja 30 spil pöruð með eins myndum á bakhliðinni og með því að snúa tveimur kortum í hvert sinn snýst spilið um að muna staðsetningu allra myndanna. Hugmyndin með tilrauninni var að langtímaminnið gæti á nóttunni kallað fram staðsetningu spilanna sem myndu því festast í minninu meðan á svefninum stæði.

Ilmur vísar veginn að virkni svefnsins

Í einni tilraun til að örva yfirfærsluferlið milli minniskerfanna voru nokkrir þátttakendur látnir finna fyrir þægilegum rósailmi meðan á spilinu stóð sem var síðan endurtekið er þeir sváfu. Þannig tengdu vísindamennirnir minninguna um Memory-spilið með rósailmi til þess að þægilegur ilmurinn virkjaði um nóttina langtímaminnið og fengi það til að staðfesta staðsetningu spilanna oftar. Ástæða þess að vísindamennirnir notuðu ilm er sú að lyktarskynið er afar virkt á nóttunni andstætt t.d. sjón og heyrn.

Tilraunin sýndi að þegar bæði staða spilanna og svefninn sem fylgdi í kjölfarið tengdust sama ilmi, áttu þátttakendur mun betra með að muna staðsetningu kortanna næsta morgun heldur en þegar þeir fundu engan ilm. Þannig gátu vísindamennirnir styrkt kenninguna um að svefninn nýtist til að yfirfæra minningar í langtímaminnið og þeir gátu einnig slegið því föstu í hvaða svefnfasa þetta átti sér stað. Í ljós kom nefnilega að minningar um stöðu spilanna urðu því aðeins betri ef þátttakendur fundu ilminn í N3-djúpsvefni sem jafnan á sér stað í fyrri helmingi venjulegs nætursvefns.

Aðrir fræðimenn hafa gert sambærilegar tilraunir og bæði djúpsvefninn við N3 ásamt draumsvefni í REM-fasa gegna að líkindum miklu máli við yfirfærslu minninga í langtímaminnið. Þó virðist vera að sérhver svefnfasi vinni úr sínum sérstöku minningum. Í djúpsvefni yfirfærast minningar sem varða meðvitaðar minningar um t.d. staðreyndir meðan draumasvefninn vinnur úr atvikaminningum sem er ómeðvitaðri þekking á því hvernig við framkvæmum tiltekna hluti eins og t.d. að hjóla.

Ekki eru þó allir vísindamenn sannfærðir um að svefninn hafi afgerandi áhrif á minnið. Einn efasemdamaðurinn er Jerome Siegel. Hann telur að í mörgum tilraunanna séu dregnar rangar ályktanir þar sem þær grundvallast á manneskjum sem hafa fengið lyf er verka á svefninn, eru stressaðar vegna þátttöku í tilrauninni, eða jafnvel heilaskaddaðar og að þessar ástæður geti einar og sjálfar haft áhrif á getuna til að muna nýja hluti. Auk þess bendir hann rétt eins og aðrir gagnrýnendur á að fjölmargar rannsóknir bendi ekki á nokkurt samhengi milli svefns og minnis og að litið sé framhjá slíkum niðurstöðum.

Enginn veit hvers vegna okkur dreymir

Það virðist blasa við að draumar tengist endurvinnslu langtímaminnisins á viðburðum dagsins, ekki síst í sambandi við þau atvikaminni sem einmitt er unnið úr í draumasvefni REM-fasans. Það er hins vegar hreint ekki víst að nokkur tenging sé milli þessara tveggja fyrirbæra og segja má að fræðimenn standi á gati hvað varðar orsakir drauma okkar.

Margar kenningar hafa komið fram og er ein sú elsta og langlífasta þeirra sú að draumar endurspegli flokkun heilans á gagnlegum minningum og hinum sem alveg eins má gleyma strax. Önnur kenning gengur út á að draumar verði til þegar heilinn skáldar samhengi milli tilfallandi minninga sem spretta upp af sjálfum sér í meðvitundinni, meðan sú þriðja leggur til að tilfallandi taugaboð í heilastofninum örvi skynstöðvar þannig að úr myndist tilfinning fyrir því að sjá myndir og heyra hljóð.

Þrátt fyrir að vísindamenn hafi smám saman komið sér upp mikilli þekkingu um líffræði svefnsins er mörgum spurningum ósvarað. Og því verður það enn ráðgáta hvers vegna við verðum meðvitundarlaus í svefni, nótt eftir nótt.

"