Самоорганизация мозга: как нейросети адаптируются к кислородному голоду во сне

Исследователи из Саратовского национального исследовательского государственного университета имени Н. Г. Чернышевского сообщили о новом открытии, которое помогает понять, как мозг реагирует на нехватку кислорода во время ночного сна. Команда учёных совместно с врачами обнаружила, что мозг не просто терпит эпизоды апноэ, а активно перестраивает свои нейронные связи, чтобы компенсировать возникший дефицит. Это демонстрирует способность нервной системы к быстрой самоорганизации и объясняет, почему даже при частых остановках дыхания мозг продолжает поддерживать жизненные функции.

Как мозг реагирует на кислородный голод

Апноэ сна — состояние, при котором дыхание во сне периодически прекращается, иногда десятки или сотни раз за ночь. При обструктивном типе мышцы гортани расслабляются настолько, что перекрывают дыхательные пути. Мозг вынужден "будить" человека на доли секунды, чтобы восстановить дыхание. Постепенно это приводит к хронической усталости, снижению памяти, ухудшению концентрации и увеличению риска сердечно-сосудистых заболеваний.

"Даже в условиях гипоксии — нехватки кислорода, возникающей при апноэ сна, мозг не остается пассивным: он пытается перестроить собственные связи, чтобы компенсировать дефицит. Этот процесс исследователи описывают как форму "самоорганизации” нейронных сетей", — рассказали в пресс-службе СГУ.

Под руководством доцента кафедры физики открытых систем СГУ Максима Журавлёва команда использовала методы нелинейной физики, электроэнцефалографию и теорию графов, чтобы увидеть, как именно перестраивается мозговая активность.

Как проводилось исследование

В работе участвовали 72 добровольца. В ходе эксперимента учёные записывали электроэнцефалограмму сразу с 19 участков головы — это существенно больше, чем в стандартной полисомнографии, где обычно используют лишь шесть отведений. Такой детальный подход позволил увидеть изменения, которые в обычных исследованиях остаются незамеченными.

Наибольшие различия между здоровыми участниками и людьми с апноэ выявились в фазе быстрого сна. Именно в этот период мышцы максимально расслаблены, а вероятность остановки дыхания выше всего. В этот же момент мозг становится особенно чувствительным к изменению уровня кислорода.

Как меняется работа зрительной коры

Особый интерес вызвала активность затылочной доли — области, где располагается зрительная кора. Во время сна она переключается от анализа внешних изображений к обработке сигналов, поступающих от внутренних органов: лёгких, сердца, кишечника. При возникновении апноэ зрительная кора реагирует на остановку дыхания как на тревожный сигнал и перестраивает свои нейронные связи.

Выяснилось, что изменения происходят не хаотично. Старые связи ослабевают, а новые формируются таким образом, чтобы компенсировать нехватку кислорода. То есть мозг применяет сложные механизмы самоорганизации, поддерживая базовый уровень функционирования даже в условиях кислородного стресса.

Высокочастотные колебания и память

Учёные уделили особое внимание высокочастотной активности мозга — диапазонам, связанным с процессами обучения и формирования воспоминаний. Именно здесь были зафиксированы серьёзные отличия между здоровыми людьми и участниками с апноэ. Нарушение этих колебаний объясняет, почему у людей с эпизодами остановки дыхания чаще появляются проблемы с вниманием и запоминанием.

Снижение стабильности нейронных ритмов в этих диапазонах может приводить к тому, что мозг хуже закрепляет информацию, а способности к концентрации снижаются уже через несколько дней регулярного плохого сна.

Сравнение: нормальный сон и сон при апноэ

Советы шаг за шагом: как исследуют мозговую активность при апноэ

1. Подбирают добровольцев с диагнозом и без него.

2. Используют расширенную электроэнцефалографию с большим числом датчиков.

3. Отслеживают фазы сна и эпизоды апноэ.

4. Анализируют различия в ритмах с применением нелинейной динамики.

5. Сопоставляют данные с когнитивными показателями участников.

Ошибка → Последствие → Альтернатива

• Использовать только базовые отведения ЭЭГ → упустить важные сигналы → расширять число точек регистрации.
• Считать апноэ исключительно дыхательной проблемой → недооценить влияние на мозг → анализировать нейронные ритмы и связи.
• Игнорировать высокочастотные колебания → не увидеть когнитивные риски → включать спектральный анализ в исследования.

А что если…

Если подтвердится, что мозг компенсирует гипоксию через самоорганизацию, можно будет разработать методы диагностики, которые выявят нарушения раньше, чем появятся симптомы. Возможно, удастся создать системы мониторинга, фиксирующие изменения нейронных связей даже при лёгких формах апноэ, когда человек ещё не подозревает о нарушениях сна. Это поможет снизить риск инсульта, когнитивных нарушений и хронической усталости.

Плюсы и минусы способности мозга к самоорганизации

FAQ

Почему апноэ так опасно?
Потому что вызывает резкие перепады кислорода и частые пробуждения, перегружая мозг и сосуды.

Все ли изменения обратимы?
Многие — да, особенно при своевременном лечении, но длительные нарушения могут ухудшить когнитивные функции.

Зачем анализировать высокочастотную активность мозга?
Она связана с обучением и памятью, поэтому её нарушения помогают понять, почему страдают когнитивные функции.

Мифы и правда

1. Миф: апноэ вызывает только храп.
   Правда: это серьёзное состояние, связанное с гипоксией и нарушениями работы мозга.

2. Миф: мозг "выключается" во сне.
   Правда: он активно перерабатывает сигналы и реагирует на внутренние события.

3. Миф: апноэ не влияет на память.
   Правда: нарушения ритмов в высокочастотных диапазонах напрямую связаны с ухудшением запоминания.

Сон и психология

Люди с апноэ часто испытывают ощущение хронического недосыпа, даже если проводят в постели достаточное количество часов. Это связано с тем, что мозг вынужден многократно просыпаться, нарушая важные фазы сна. В результате растёт тревожность, ухудшается эмоциональная стабильность и способность концентрироваться. Регулярный восстановительный сон играет ключевую роль в поддержании когнитивного здоровья.

Три интересных факта

1. Фаза быстрого сна занимает около 20-25% общей продолжительности ночного отдыха.

2. Зрительная кора во сне "слушает" внутренние сигналы вместо внешних.

3. Высокочастотные колебания — один из самых чувствительных маркеров когнитивных нарушений.

Исследования апноэ сна начались в середине XX века, когда врачи заметили связь между храпом и остановками дыхания; в 1980–1990-х полисомнография стала стандартом диагностики; только в последние годы учёные начали изучать глубокие нейронные механизмы, включая перестройку мозговых сетей при гипоксии. Работа СГУ продолжает этот научный поворот, предлагая новый взгляд на адаптивность мозга.