מדוע אנחנו ישנים?

"לא כדי לחיות אנו באים אל העולם הזה. רק כדי לישון, כדי לחלום" - שיר אצטקי

בני האדם תוהים מאז ומתמיד מדוע הם ישנים. ודאי היה אדם פרהיסטורי שהתחבט בשאלה אחרי שינה טובה, זמן רב לפני שעלה בדעתו של גלילאו לחזות את מחזור המטוטלת או להבין באיזו מהירות עצמים נופלים. למה שנשים את עצמנו במצב הפגיע הזה, המכלה שליש מחיינו הבוגרים ואף יותר מילדותנו? אנחנו אפילו לא עושים זאת בחוסר חשק – למה אנחנו, וכמונו הכלבים, האריות וכמעט כל בעל חיים אחר, נהנים מזה? בניגוד למדידת מחזור המטוטלת, מדענים ייאלצו לחכות עוד זמן רב כדי להשיג תשובות מהימנות, שהרי לא קל לישון בזמן שזרים צופים בנו. לשם כך יש להקים מרפאות להפרעות שינה עבור בני אדם, ומבנים מורכבים בשם "פְּלָטיפּוּסָריוּם", שנועדו להתבוננות בשנת ה־REM של ברווזנים.

עד לאחרונה לא הייתה לנו תיאוריה כמוּתנית שבעזרתה אפשר להבין, לדוגמה, למה זמן השינה היומי של עכברים ארוך פי עשרה מזה של לווייתנים; למה תינוקות אנושיים ישנים בערך פי שתיים ממבוגרים

בעשורים האחרים הצטבר שפע גדול של נתונים בנוגע למשך מצבי השינה של מינים שונים ולשנתם של בני אדם מלידה ועד בגרות. לצד הממצאים האלה חושבו מתאמים אפשריים למלטונין, גודל המוח, קצב חילוף החומרים, תוחלת חיים וגֶנים ונוירונים המעודדים שינה. ואף על פי כן, עד לאחרונה לא הייתה לנו תיאוריה כמוּתנית שבעזרתה אפשר להבין, לדוגמה, למה זמן השינה היומי של עכברים ארוך פי עשרה מזה של לווייתנים; למה תינוקות אנושיים ישנים בערך פי שתיים ממבוגרים; למה משך שנת ה־REM ומשך השינה הכללי משתנים במהירות כשגוף התינוק גדל, אך הפערים האלה אינם משתקפים בהבדלי הגדלים בין מינים שונים; ולמה טמפרטורה משפיעה על שנתם של בעלי דם קר כמו זבובי פירות. אף על פי שנעשו צעדים משמעותיים בפיתוח מודלים מתוחכמים ובהסברת תופעות כמו מקצבים צירקדיים, ג'טלג [ובעברית: יעפת] ותוצאות רישומי אא"ג של מוחות בזמן שינה, על כל אלה מעיב הקושי לפתח תיאוריה כמוּתנית כללית של השינה.

ישנים פי שתיים ממבוגרים, אבל למה? תצלום: הסאם נבאווי

עבודתנו מתחילה להתגבר על הפער הזה. בעזרת גישה מתמטית חדשה לשאלת השינה פיתחנו דרכים חדשניות להבנת נתוני השינה שתיתן מענה לשאלותיה היסודיות. רבים מהמחקרים הקודמים כשלו כי הם עסקו בקטלוג ההיבטים והמאפיינים הרבים של השינה במקום לפענח את מטרתה. מנגד, הדפוסים הקבועים שאנו הצלחנו לחזות, ולאשש בעזרת נתונים אמפיריים, נובעים מתוך ההתמקדות שלנו בקביעת תפקידה המרכזי של השינה. בעבודתנו הגענו לתובנות בנוגע לחילוף החומרים ולמעמדו המיוחד של המוח, והן סייעו לנו לזהות שינוי פתאומי ומפתיע בתפקידה של השינה מינקות לבגרות, שאותו ציפינו לראות בחלקים נרחבים מממלכת החיות – מעבר פאזה מהיר לא פחות מקפיאת המים והפיכתם לקרח.

היעדר שינה מוחלט הוא קטלני יותר לבעלי חיים מהיעדר מוחלט של מזון

ב־1984 פרסמה מארי דה מָנאסיין (Manacéine), מן הנשים הרופאות הראשונות ברוסיה, פרסמה מאמר יוצא דופן, המספר שגורי כלבים שהשינה נמנעה מהם לחלוטין מתו אחרי ימים ספורים. היא ערכה את ניסוייה על עשרה גורים, מגיל חודשיים עד ארבעה, שינקו מאימותיהם וקיבלו טיפול טוב בכל מובן אחר. כקבוצת ביקורת היא השתמשה בגורים אחרים שקיבלו שינה אך לא מזון. הכלבים האלה הצליחו לחזור לקו הבריאות גם אחרי שהורעבו במשך 20-25 ימים, ואילו הכלבים שלא ישנו היו "במצב חסר תקווה" לאחר 4-6 ימים בלבד. מסקנותיה היו ברורות: "היעדר שינה מוחלט הוא קטלני יותר לבעלי חיים מהיעדר מוחלט של מזון".

אף שהמתודולוגיה שלה אינה עומדת בקנה המידה האתי או הניסויי של ימינו, תוצאותיה אושרו אחר כך בתצפיות אחרות ובמחקרים קפדניים יותר: היעדר שינה ממושך עלול להוביל למוות לא רק בכלבים, אלא גם בעכברושים ובזבובי פירות – ואולי אף בבני אדם, בגלל מחלה שנקראת חוסר שינה תורשתי קטלני. התסמונת האיומה הזאת מובילה להחמרה הולכת וגוברת של נדודי שינה המובילה למוות בתוך שנה-שנתיים. היא נובעת ממוטציה בגן המקודד לחלבון פְּריוֹן, בדומה למחלת "הפרה המשוגעת" המפורסמת. אין לה תרופה ידועה.

שינה חשובה להישרדותם יותר מאשר אוכל. תצלום: אלנה מוז'ווילו

כפי שציינה מנאסיין בפסקה הפותחת במאמרה: "עובדות מסוג זה מלמדות בבירור כי למחסור בשינה יש השפעה מזיקה ביותר". גם כשאין מדובר בתסמונת חוסר השינה התורשתי הקטלני, מחסור בשינה מוביל תמיד לשינוי במצבנו בזמן ערוּת – שינוי המתבטא בבעיות תפקודיות כמו אובדן זיכרון, בלבול, עצבנות, הזיות, דיכאון ואף דמנציה. בדיקות של חיות שמתו ממחסור בשינה מלמדות על נזק חמור לרקמת המוח, כולל דימומים מקומיים והתנוונות של הגנגליונים המוחיים. ובכל זאת ממשיכים להשתמש במניעת שינה ככלי בחקירות, ותומכי השיטה הזו טוענים שלא מדובר ב"עינוי".

אחת ההתפתחויות החיוביות הבודדות בהקשר של הצורך בשינה התרחשה דווקא בזמן מגפת הקורונה, כי רופאים ומומחי בריאות החלו להפציר באנשים לישון היטב כדי לחזק את מערכת החיסון שלהם

חברות רבות לא הפנימו די הצורך את העובדה ששינה מספקת – והדבר נכון גם בנוגע לתזונה טובה – היא בעלת חשיבות מכרעת לבריאותנו. הלחצים והקצב של אורח החיים המודרני אינם מעודדים הרגלי שינה בריאים, בין אם הסיבה היא לחץ במקום העבודה, או העלייה הניכרת בנדודי שינה הנובעים מחרדה. אחת ההתפתחויות החיוביות הבודדות בהקשר זה התרחשה דווקא בזמן מגפת הקורונה, כי רופאים ומומחי בריאות החלו להפציר באנשים לישון היטב כדי לחזק את מערכת החיסון שלהם.

הן כפרטים הן כקהילות איננו ששים להכיר בחשיבותה המרכזית של השינה לבריאותנו ארוכת הטווח. בממוצע, הסיכון לתמותה של אדם הישן פחות משש שעות בלילה גבוה ב־13 אחוז מהסיכון לתמותה של אדם הישן 7-9 שעות בלילה. ההערכות אומרות שהמחסור הרווח בשינה עולה לכלכלת ארצות הברית יותר מ־400 מיליארד דולר בשנה כתוצאה מתמותה גבוהה יותר ותפוקה נמוכה יותר. לאור כל זה, מפתיע שאף אחד מ־28 המוסדות המרכיבים את המכונים הלאומיים לבריאות של ארה"ב אינו מקדיש את עצמו מפורשות לסוגיית השינה, ושחלק משמעותי ביותר מהתמיכה במחקר כזה מגיע דווקא ממרכז המוקדש לחקר הפרעות שינה בתוך המכון הלאומי לחקר הלב, הריאות והדם. מצב עניינים זה משקף את מקומו השולי יחסית של חקר השינה בקהילות האקדמיות והרפואיות, לפחות עד לאחרונה. אף על פי שאין [בארה״ב] "מכון לאומי לשינה", לפחות חקר השינה מתחיל להפוך לעיסוק נרחב וממומן יותר בעולם.

בשנים האחרונות, המחקר הנוירוביולוגי חשף רבים מהמנגנונים היסודיים הקשורים לשינה. הורמונים, תאים ואנזימים – שרמות פעילותם משתנות במהלך השינה ובין שינה לערות – זוהו כולם. למדנו רבות על הפיזיולוגיה, האנטומיה והביוכימיה של השינה. מנקודת מבט זו, כשאנחנו אומרים שאנו מבינים מדוע אנחנו ישנים, אנחנו מתכוונים בעצם לומר שאנו מבינים מה עושה אותנו ישנוניים, איך אנחנו ישנים, ואילו בעיות תפקודיות נובעות ממחסור בשינה.

אנחנו יודעים לאסוף נתונים על  השינה, יותר מאי-פעם: מכשיר EEG פשוט והכול זורם. תצלום: thinker thing

מדוע אנו זקוקים לשינה מלכתחילה. מהו בעצם תפקידה של השינה? אנו מבלים כשליש מחיינו בשינה, אבל איננו יודעים מדוע אנו זקוקים לכך. ואם אנו מנסים לא לישון, ההשלכות חמורות

אבל עדיין אין לנו מענה לשאלה היסודית שבה אנו עוסקים פה: מדוע אנו זקוקים לשינה מלכתחילה. מהו בעצם תפקידה של השינה? אנו מבלים כשליש מחיינו בשינה, אבל איננו יודעים מדוע אנו זקוקים לכך. ואם אנו מנסים לא לישון, ההשלכות חמורות. למה אנו זקוקים לכשמונה שעות שינה בלילה, ואיננו מצליחים להסתפק בשלוש או ארבע, כמו פיל, או בפחות משעתיים, כמו לווייתן זרע? וכאשר אנו עוברים מילדות לבגרות, מדוע השינה שלנו צריכה להצטמצם מכ־16 שעות ביום כתינוקות (מספר השקול למספר שעות השינה של בעלי חיים הרבה יותר קטנים כמו עכברים וחדפים), לשמונה שעות השינה הידועות אצל הבוגרים? מה גורם לפרקי הללו להשתנות, ולמה?

הבנת מקורותיה של השינה היא עניין מבלבל במיוחד כי השינה כנראה אינה מקנה יתרון אבולוציוני כלשהו. להיפך: מדוע שאורגניזם ייכנס למצב פגיע של חוסר הכרה למשך שעות אם אין בכך צורך?  אולי השינה התפתחה ככלי המסייע לנו להתמודד עם אתגרי החשכה בלילה? אבל ישנם בעלי חיים רבים שהם ליליים. יתרה מזאת, שנתם של יונקים כמו עכברים וחדפים ארוכה יותר ממֶשֶך הלילה, ואילו אחרים, כמו פילים ולווייתנים, ישנים הרבה פחות. לבסוף, משך הלילה משתנה מאוד בהתאם לעונה ולקו הרוחב, אז מדוע השינה האנושית התקבעה על ערך "אוניברסלי" משוער של שמונה שעות בערך?

ההסבר האינטואיטיבי שלנו לשינה – הסבר שקל לדחות – אומר שאנו זקוקים לה כדי לשמר אנרגיה, לנוח ולאושש את גופנו. אנחנו באמת מפחיתים את קצב חילוף החומרים הממוצע שלנו בזמן השינה, אבל רק ב־15 אחוז בערך – אנחנו שורפים בשינה 100 קלוריות עלובות ללילה, השקולות לפרוסת לחם בחמאה. נדמה לי שזה לא מצדיק את המורכבויות, הפגיעויות והאתגרים של השינה.

השינה לא נועדה לשמר אנרגיה: בארוחת הבוקר הזאת יש יותר קלוריות ממה שאנחנו שורפים בלילה של שינה. תצלום: סטיב הארווי

הנזק שהשינה עוזרת לתקן נובע הן מזרימת הדם והן מכוחות ביוכימיים. לא פשוט להשלים עם כך שאותן מערכות המקיימות את חיינו, מדרדרות את גופנו בלי הפסקה

אף על פי כן, על פי הגישה הרווחת, אחד משני תפקידיה העיקריים של השינה הוא לתקן את בלאי החיים, את הנזק הנגרם כתוצר לוואי של התהליכים המטבוליים, כלומר תהליכי חילוף החומרים המחזיקים אותנו בחיים. בכל היצורים, מבני האדם עד לסרטן הנזיר, החיים מתקיימים בזכות רשתות – כמו מערכת הלב וכלי הדם – שמובילות אנרגיה מטבולית אל תאים, מיטוכונדריה, גנומים ויחידות פנים־תאיות אחרות. ובדיוק כפי שהחיכוך של מכוניות ומשאיות על הכבישים או תנועת המים בצינורות גורמים נזקים ובלאי ללא הרף, כך קורה גם עם הדם, המשאבים, התאים והאנרגיה שזורמים ברשתות שלנו. בנוסף למערכת הדם המוכרת, יש רשתות מקבילות של תגובות ביוכיומיות בתוך המיטוכונדריה – מקור האנרגיה הבסיסי שלנו – שמזיקות לגופנו על ידי ייצור רדיקלים חופשיים. רדיקל חופשי הוא כל אטום או מולקולה בעלי אלקטרון שאינו מזווג, מה שהופך אותם להפכפכים והרסניים מאוד (נוגדי חמצון כמו שוקולד מריר ואוכמניות ממזערים סוג כזה של נזקים). אז הנזק שהשינה עוזרת לתקן נובע הן מזרימת הדם והן מכוחות ביוכימיים. לא פשוט להשלים עם כך שאותן מערכות המקיימות את חיינו, מדרדרות את גופנו בלי הפסקה.

תפקיד מרכזי נוסף של השינה הוא ארגון מחדש של הקשרים הנוירולוגיים במוח, בתגובה לאינספור הקלטים החושיים שאנו קולטים ללא הרף

תפקיד מרכזי נוסף של השינה הוא ארגון מחדש של הקשרים הנוירולוגיים במוח, בתגובה לאינספור הקלטים החושיים שאנו קולטים ללא הרף. הקלטים האלה מגיעים גם מהסביבה החיצונית וגם מגירויים בתוך הגוף, כמו פעימות הלב ואותות ממערכת העיכול. העיבוד היומיומי המתמשך הזה הוא רכיב יסודי של הלמידה והזיכרון. כדי לשמור על יעילות, התהליך הזה כולל גם סילוק של סינפסות שאיננו מרבים להשתמש בהן, ארגון מחדש של נתיבים וקשרים ישנים, ובנייתם של חדשים. כלומר כל מחשבה חולפת, כל חלום, כל רעיון חדש, עלולים להוביל לארגון מחדש של המוח, ותהליך ההתארגנות הזה קורה אך ורק באמצעות אנרגיה מטבולית.

שני התפקידים האלה – תיקון וארגון מחדש של המוח – משקפים סיבות שונות לצורך בשינה, ובכל זאת הם חולקים ביניהם שני מאפיינים מרכזיים. ראשית, שניהם קשורים ישירות לחילוף החומרים, מכיוון שהאנרגיה המטבולית מזינה גם את ארגונן מחדש של הרשתות הנוירולוגיות וגם את תיקון הנזק שגורמים תוצרי הלוואי של ייצור והובלת האנרגיה בגוף. המאפיין המשותף השני הוא הוא ששניהם מתרחשים במוח, איבר שכמעט לעולם אינו מחליף את הנוירונים שלו (בניגוד לרוב האיברים והרקמות האחרים, שהתאים שלהם מתחלפים ומתחדשים כל הזמן). ומכיוון שנוירונים שניזוקו אינם מוחלפים כמעט אף פעם, יש לתקן אותם ביסודיות כדי לשמור על תהליכי הזיכרון והלמידה בפרט, ועל תקינותו של המוח מרובה הרכיבים בכלל.

לפעמים אין ברירה: מושבת לצורך תיקונים. תצלום: ג'ואל רוהלנד

מסיבות אלה, תיקון וארגון יעילים של הנוירונים במוח אינם יכולים להתרחש בלי לשבש את התפקודים הרגילים של האורגניזם. אז אנו זקוקים לזמן מנוחה ייעודי. הרי יהיה פזיז, וכנראה מסוכן, לבצע תיקונים במכונית תוך כדי נהיגה בה. לכן אנו לוקחים אותה למוסך. תיקונים בכבישים או במערכות הרכבת התחתית, איסוף האשפה ברחובות, שדרוגים במערכות ורשתות מחשבים – גם כל אלה מתבצעים בדרך כלל בלילות או בסופי השבוע, כי מספר המשתמשים אז קטן יותר. זו הסיבה לכך שהמוח והגוף "מכבים את עצמם" לכאורה בעת ביצוע מרבית התיקונים והארגונים ההכרחיים – הדבר מקטין את הסיכוי לתקלות ולשיבושים בפעילות היומיומית. ולכן אנו זקוקים לזמן שינה.

מבחינה מוחית אנחנו נשארים "אנחנו" רוב חיינו. אבל את זה אפשר להבטיח רק אם תאי המוח שניזוקו עוברים תיקון יסודי המשמר את תקינותם וזהותם בטווח הארוך. אחרת "אתם" תתחילו להפוך למישהו או משהו אחר – כמו שקורה מהר מאוד כשחסרות לנו שעות שינה

מבחינה מוחית אנחנו נשארים "אנחנו" רוב חיינו. אבל את זה אפשר להבטיח רק אם תאי המוח שניזוקו עוברים תיקון יסודי המשמר את תקינותם וזהותם בטווח הארוך. אחרת "אתם" תתחילו להפוך למישהו או משהו אחר – כמו שקורה מהר מאוד כשחסרות לנו שעות שינה. את האיברים והרקמות האחרים, לעומת זאת, פחות חשוב לתקן באותה יסודיות. ואכן, הנזקים והדימומים המוחיים שהתגלו בניסויים המוקדמים של מנאסיין ושל אחרים, היו בשבילנו רמז ראשוני לכך שהשינה נועדה בעיקר למוח. אישוש נוסף לטענה הזאת היא העובדה שהמוח שואב יותר מעשרים אחוז מהאנרגיה שגופנו משתמש בה, אף שהוא תופס רק 2 אחוז מהמסה שלו. הפער הזה נובע מכך שהמוח צריך לעבד מידע חושי ולתפעל את הגוף, וכאמור לתקן את הרשתות העצביות שלנו ולארגן אותן מחדש בזמן השינה.

הצורך בתיקון יסודי ובארגון מחדש של הנוירולוגיה הוא נקודת התחלה טובה לפיתוח תיאוריה כמותנית של השינה, וזאת בגלל הקשר הישיר של שתי המשימות האלה לקצב חילוף החומרים. התעוררות העניין האקדמי בסוגיית השינה, וההכרה הגוברת והולכת בחשיבותה הרבה לבריאות, הובילו למחקרים רבים שמסבירים איך אנחנו נרדמים ולמה. אבל מה שלא עלה מהמחקרים האלה הוא מסגרת חשיבה כמותנית, חיזויית, שתעזור לנו להבין מדוע אנחנו צריכים לישון. מה קובע את משכי השינה? מדוע בני אדם צריכים לישון שמונה שעות, אבל פילים רק שלוש? מה תפקידיהם היחסיים של התיקון והארגון הנוירולוגי? כיצד הם משתנים כשאנו גדלים והופכים מתינוקות לבוגרים? כדי להתחיל לרדת לעומק התעלומות הללו, יש צורך במסגרת חשיבה.

סוחבים גוף ענק וכבד, בעלי מוח נכבד ביותר, וישנים רק שלוש שעות בלילה. תצלום: ביסאקה דטה.

חילוף החומרים ניזון מהחמצן שמגיע מהריאות אל התאים דרך מערכת הלב כלי הדם. הן במבט רוחבי על כל בעלי החיים, מעכברים ועד פילים, והן במבט אורכי על תהליך ההתפתחות האנושי מינקות לבגרות, ניתן לראות קווים משותפים לכל המערכות הללו, ולכן אפשר לתאר ולהבין אותן בתוך מסגרת חשיבה כללית. הקווים המשותפים האלה משקפים תכונות ביולוגיות יסודיות – כמו מזעור הכוח המושקע בהזרמת הדם, הצורך ברשתות מסתעפות שיגיעו לכל הגוף ויזינו את כל התאים, וקיומם של נימים בגודל ובצורה דומים המאפשרים לתאי הדם האדומים להביא חמצן לתאים. כל התכונות האלה יחד יוצרות את אחד הדפוסים הרווחים ביותר בביולוגיה, ושמו סילום (scaling) ביולוגי או אָלוֹמֶטְרי.

כמעט כל הקצבים ופרקי הזמן הפיזיולוגיים – החל מתוחלת החיים, עבור בצמיחת האוכלוסייה, דרך תחלופת התאים וכלה בהריונות – משתנים עם משקל הגוף באופן שיטתי וניתן לחיזוי

בקיצור, משמעות הדבר היא שכמעט כל הקצבים ופרקי הזמן הפיזיולוגיים – החל מתוחלת החיים, עבור בצמיחת האוכלוסייה, דרך תחלופת התאים וכלה בהריונות – משתנים עם משקל הגוף באופן שיטתי וניתן לחיזוי שנקרא בשפה המתמטית "קנה מידה של ארבעה סדרי גודל". לדוגמה, פיל כבד פי עשרת אלפים מסנאי, ולכן, לאור עקרונות הסילום האלה, הוא חי בערך פי עשרה יותר, גדל בערך פי עשרה לאט יותר, מחליף את תאיו פי עשרה לאט יותר, ונולד אחרי היריון ארוך פי עשרה. לווייתנים, ג'ירפות, בני אדם וחתולים נראים די שונים וחיים בסביבות די שונות, אבל כולם פועלים לפי אותם כללים, אילוצים ושקלולי תמורות בסיסיים ביחס לגודלנו, וזאת בגלל תהליך הברירה הטבעית המתמשך ואבותינו המשותפים. כפועל יוצא, ככל שהיונק גדול יותר, קצב חייו אטי יותר:  פרקי זמן מתארכים וקצבים מאטים ביחס לגודל הגוף, באופן שיטתי הניתן לחיזוי.

אף על פי כן, השינה היא יוצאת דופן בולטת בשיטתיות הזאת – למעשה, זה היה הרמז הראשון שהוביל אותנו לתובנות חדשות באשר לתפקידה של השינה, והצביע על הצורך לנתח את הנתונים הקיימים בדרכים חדשות. למען הדיוק, אף שזמן השינה הכולל אכן משתנה באופן יחסי לגודל גופם של בעלי חיים שונים, או לגודל גופם של ילדים בשלבי התפתחות שונים, הוא אינו מתנהג בהתאם לדפוס שתואר לעיל: זמני השינה אינם מתארכים ככל שהגוף גדול יותר, אלא מתקצרים! לדוגמה, ההיגיון הפשוט של כללי הסילום יוביל אותנו למסקנה שזמן השינה של הפיל ארוך פי עשרה מזמן השינה של סנאי. אבל לא זאת בלבד שפילים ישנים הרבה פחות מסנאים, אלא שההבדל הוא במכפלות של כארבע או חמש, ולא עשר. וכידוע, גם פעוט ישן פחות מתינוק, לא יותר.

התוצאה המבלבלת להפליא הזאת פועלת בכיוון ההפוך ובקצבים שונים מכל פרקי הזמן ביולוגיים שאנו ואחרים חוקרים כבר עשרות שנים. אחרי גירוד מתמשך בפדחת, הגענו לשתי השערות שעשויות לתת הסבר לדילמה הזאת, ואף לחולל שינוי פרדיגמה.

הוא לא ינוח יותר שעות הלילה: לווייתן זרע מותקף על ידי דייגים ומצליח להפוך את אחת הסירות. הדפס אקווטינט עם צבעי מים (1834), מאת E. Duncan לפי W.J. Higgins, אוסף Wellcome Collection, לונדון

שתי הפעולות האלה, המתקנת והמארגנת, מתנהלות כל אחת בקצב הנקבע על ידי חילוף החומרים

ראשית, היפוך היחס בין גודל לשינה הוא דווקא הגיוני לאור אופי הקשר בין שינה לחילוף חומרים. השינה פועלת לנטרול הנזק שנגרם בייצור האנרגיה, והשינה גם מגיבה לגירויים באמצעות הארגון הנוירולוגי הנדרש לקידוד מידע מעובד מהסביבה. בנוסף לכך, שתי הפעולות האלה, המתקנת והמארגנת, מתנהלות כל אחת בקצב הנקבע על ידי חילוף החומרים. קצב חילוף החומרים של הגוף כולו אמנם עולה עם גודלו של בעל החיים – גם במבט רוחבי על מינים בגדלים שונים, וגם במבט אורכי על צמיחתנו הפיזית – אבל לפי יחסי הסילום האלומטריים, קצב חילוף החומרים לכל גרם רקמה יורד עם גודל הגוף. התוצאה היא שכאשר בעל חיים הוא גדול יותר, הוא סופג פחות נזק לכל יחידת נפח של רקמה או תאים. לכן הוא דורש פחות אנרגיה, וגם פחות זמן שינה, כדי להשלים את תיקוניו.

שנית, את העובדה שקצב השינוי אינו תואם את הדפוס של ארבעת סדרי הגודל, אפשר להסביר במידה שקצב חילוף החומרים אינו נקבע על ידי הגוף כולו, אלא על ידי איבר מסוים שגדל באופן חריג יחסית לגודל הגוף. מה שמחזיר אותנו למוח: כבר זמן רב שידוע לנו כי בניגוד לרוב האיברים והרקמות האחרים, כמו הלב, גודל המוח משתנה ביחס לא ליניארי לגודל הגוף, גם במבט רוחבי בין מינים וגם לאורך התפתחותם של תינוקות. לדוגמה, מוח של פיל גדול פי אלף בלבד ממוחו של סנאי, ולא פי 3,000, כמו שהיה אפשר לצפות לפי הסולם הליניארי של משקל גופם, וכפי שקורה באיברים ורקמות אחרים, כמו הלב.

לקחנו את שתי התובנות האלה ועשינו חישוב גס כדי לבדוק אם תלות של תהליכי התיקון והארגון הנוירולוגי בחילוף החומרים של המוח (שגדל לפי סולם "איטי" יותר משאר הגוף), מסבירה את התעלומה הוותיקה של השינויים במשכי זמן השינה – קרי, למה חיות גדולות צריכות פחות שינה מחיות קטנות, ולמה מבוגרים צריכים פחות שינה מתינוקות. לשמחתנו, התוצאות התאימו פחות או יותר למה שצפינו. וכעת התחלנו להתייחס להשערות האלה ברצינות, כדי לפתח תיאוריית חיזוי כמותנית יסודית של השינה.

את כל הנזקים שאנו סופגים בערוּת יש לאזן כנגד האנרגיה הנדרשת לתיקון הנזקים האלה בשינה

הודות למחקרינו הקודמים, היינו בעמדה נוחה לפיתוח משוואות שיבטאו את תפקיד חילוף החומרים בתיקון ובארגון המתרחשים בעת השינה. בעבר, בזמן שעבדנו על תיאוריות של הזדקנות ותוחלת חיים, חישבנו הערכות לנזק שגורם חילוף החומרים. תיאוריית השינה החדשה שלנו צמחה מתוך עבודה זו: את כל הנזקים שאנו סופגים בערוּת יש לאזן כנגד האנרגיה הנדרשת לתיקון הנזקים האלה בשינה. כדי לתת הקשר לתובנה הזאת, הבטנו גם במוח וגם בגוף כולו כדי להבין לפי יחסי הסילום מי מהם הוא הגורם הדומיננטי בכל הקשור לשינה.

כך גזרנו את המשוואה היסודית המקשרת בין זמן שינה לזמן ערות. משם, באמצעות פעולה אלגברית פשוטה, גילינו שהדרך הטובה ביותר לבטא את התיאוריה החדשה הזאת ולבחון אותה היא להתמקד באופן שבו היחס בין משך השינה הכולל למשך הערות הכולל משתנה עם גודל המוח (או הגוף). מהלך זה היה חדשני למדי, שכן מחקרים קודמים התמקדו אך ורק במשכי השינה או הערות במונחים מוחלטים, לא יחסיים. יתרה מזאת, המשוואות שיצרנו חייבו אותנו לייצג אותן במרחב לוגריתמי, כדי להיטיב לראות את הנתונים בגרף – כלומר מרחב שבו הצעד מ־1 ל־10 הוא אותו מרחק כמו הצעד מ־10 ל־100, או מ־100 ל־1,000. המניפולציות והשינויים המתמטיים הפשוטים האלה – יחסי של זמנים, ולוגריתמים של משתנים – הובילו אותנו לייצוג שונה לחלוטין של הנתונים מכפי שהיה אצל חוקרים קודמים.

תמיד הבנו אותם, אבל עכשיו אנחנו מבינים אותם מדעית. תצלום: רון "בלו" אלדמאן

את בחינת התיאוריה שלנו התחלנו על ידי ניתוח מערך הנתונים הקיים הגדול ביותר של משכי שינה אצל יונקים בוגרים, מעכברים ועד פילים. כשייצגנו את הנתונים האלה לפי התיאוריה שלנו, גילינו לשמחתנו שיחסי הסילום שלהם היו בדיוק כפי שחזינו, כלומר הם תאמו את ההשערה שהשינה נועדה בעיקר לתיקון של המוח. וכך היה לא רק ביחס למשך השינה הכולל. במינים שונים הצלחנו לחזות את חלקה של שנת ה־REM בתוך השינה הכוללת ואת השינויים בזמן מחזורי השינה – כמה זמן לוקח להשלים מחזור בין שנת REM ושינה שאינה REM. זה היה מספק מאוד, והבהיר לנו שמצאנו את המנגנון הנכון והתיאוריה הנכונה המסבירה מדוע אנו ישנים. למעשה, ניסחנו נוסחה מתמטית למשך הזמן שבעלי חיים בוגרים ישנים.

בהמשך הבדיקה, שאלנו את עצמנו אם התיאוריה תחול גם על השינויים המתחוללים בשינה עם העלייה בגילו של הפרט. כולנו יודעים שילודים וילדים ישנים הרבה יותר ממבוגרים – אבל האם זה תואם את הקצבים וסדרי הגודל של השינויים שנצפו במינים שונים? האם הירידה במשך זמן השינה במהלך הגדילה תואמת את ההבדלים במשכי השינה בין יונקים מגדלים שונים? אחרי שפיתחנו את התיאוריה, החלו להגיע נתונים חדשים על משכי שינה כוללים, משכי שנת REM, גדלי מוח ותכונות נוספות מלידת האדם ועד בגרותו, וזאת כיוון שסוגיית השינה החלה לעורר עניין רחב יותר בקהילה המדעית ובציבור בכלל.

אנו ושותפינו בחנו את הנתונים החדשים בציפייה רבה – והתאכזבנו לגלות שהשינויים במשכי זמן השינה של ילדים שונים בתכלית מההבדלים שמצאנו בין מינים. היה ברור שהתיאוריה שלנו אינה נכונה בכל הקשור לילדים מתפתחים. הבלבול רק גבר כשראינו שמשך שנת ה־REM משתנה מהותית ככל שאנו גדלים. זאת בשעה שבקושי יש הבדלים במשכי שנת ה־REM של מינים שונים. והייתה עוד הפתעה אחת אחרונה: מצאנו גם שקצב חילוף החומרים של המוח וקצב יצירת הסינפסות (הקשרים בין הנוירונים) משתנה ביחס לגודל הגוף באופן שונה בתכלית מכפי שצפינו.

ילדים ובוגרים זקוקים לשינה מסיבות שונות, והסיבה שילדים מתפתחים זקוקים לשינה, אינה אותה סיבה שבגללה יש הבדלים במשכי השינה של מינים שונים

הממצאים האלה רק הגבירו את העניין שלנו בתהליך החריג והמשונה הזה שנקרא שינה. עם זאת, הם גם הבהירו לנו, ובפועל "הוכיחו", כי ילדים ובוגרים זקוקים לשינה מסיבות שונות, וכי הסיבה שילדים מתפתחים זקוקים לשינה, אינה אותה סיבה שבגללה יש הבדלים במשכי השינה של מינים שונים. ביחד עם שותפינו ג'וּניוּ קאו (Cao), אלכס הרמן (Herman) וג'ינה פּוֹ (Poe), מומחים לשינה ולסטטיסטיקה, חזרנו, משום כך, לגרסה החלופית של התיאוריה, המבוססת על הטענה ששינה נועדה בראש ובראשונה לארגון מחדש של הנוירולוגיה שלנו, במטרה לעבד את המידע שנצבר במהלך היום. מנקודת המבט הזאת, השינה היא עדיין עניין של המוח ושל פעילותו המטבולית – ממש כמו בתיאוריית התיקון של בעלי החיים הבוגרים. ההבדלים הגדולים במשכי השינה בשלבים הראשונים של הילדות, נובעים מכך שאופן ההתפתחות והגדילה של המוח בשנות החיים הראשונות הוא בעצמו חריג בהשוואה לתהליכים המתרחשים במוח הבוגר. ואם לדייק, יצירת הסינפסות וקצב חילוף החומרים של המוח מאיצים מהר מאוד בשלבים הראשונים של ההתפתחות: הכפלת גודל המוח מובילה לעלייה של כמעט פי ארבעה בצפיפות הסינפסות ובקצב חילוף החומרים של המוח.

על סמך התובנות האלה, הרחבנו את התיאוריה שלנו וקבענו שהתפקיד העיקרי של השינה בראשית החיים היא ארגון מחדש של הנוירולוגיה, ולא רק תיקון. והפלא ופלא, הצלחנו כעת לחזות את מערכות היחסים הנצפות בין משך השינה הכולל ומשך שנת ה־REM לבין גודל המוח וקצב חילוף החומרים בראשית ההתפתחות.

עכשיו אפשר לחזות מדעית כמה שעות שינה צריכה הקואלה. כשתתעורר, תספרו לה. תצלום: גארי ראן

אם מטרת השינה משתנה מארגון נוירולוגי בילדות לתיקון בבגרות, מתי בדיוק השינוי הזה מתרחש, ועד כמה הוא פתאומי? השינוי מתרחש כשאנחנו צעירים מאוד – בגיל שנתיים וחצי בערך – והוא קורה בפתאומיות רבה

כשהשווינו את הממצאים מהבחינה הרוחבית של המינים לממצאים מהבחינה האורכית של שלבי ההתפתחות השונים, צצה עוד שאלה אחת אחרונה. אם מטרת השינה משתנה מארגון נוירולוגי בילדות לתיקון בבגרות, מתי בדיוק השינוי הזה מתרחש, ועד כמה הוא פתאומי? באמצעות התיאוריה החדשה שלנו, ועם נתונים מתחום התפתחות האדם, הצלחנו לענות על השאלה הזאת בדיוק מפתיע: השינוי מתרחש כשאנחנו צעירים מאוד – בגיל שנתיים וחצי בערך – והוא קורה בפתאומיות רבה, כמו מים שקופאים באפס מעלות צלזיוס.

התוצאה המדהימה הזאת שימחה אותנו מאוד. ראשית, היא הבהירה לנו אף יותר את חשיבותה המכרעת של השינה: לעולם לא נזלזל עוד בתרומתה לילדינו, בייחוד בשנים הראשונות לחייהם, כשהשינה עושה משהו ייחודי ומשמעותי להפליא שלכאורה אי אפשר לפצות עליו בהמשך החיים. שנית, אף שבמבט מבחוץ השינה לפני גיל שנתיים וחצי נראית בדיוק כמו השינה אחרי גיל שנתיים וחצי, הן מקבילות בעצם לשני מצבים של חומר. לפני גיל שנתיים וחצי, המוחות שלנו גמישים ונזילים יותר, ואנו מסוגלים ללמוד ולהסתגל במהירות, בדומה לזרימת המים סביב מכשולים. אחרי גיל שנתיים וחצי, המוחות שלנו הרבה יותר מגובשים וקפואים. הם עדיין מסוגלים ללמוד ולהסתגל, אך עושים זאת כקרחונים המפלסים להם דרך בים באטיות.

שאלות רבות עומדות בעינן. עד כמה השינה משתנה בין בני אדם ובין מינים? האם אפשר להאריך את השלב הגמיש הראשוני של השינה? האם השלב הזה מוארך או מקוצר כבר עכשיו אצל פרטים מסוימים, ומה המחירים והתועלות הכרוכים בכך? אילו תפקידים נוספים יש לשינה, לצד תפקידיה העיקריים – התיקון והארגון הנוירולוגי? כיצד התפקידים השונים האלה מתחרים על זמן השינה או מתחלקים בו בגילים שונים או אפילו במהלך לילה בודד? תידרש עוד עבודה רבה כדי לפענח את מסתרי השינה, אבל התובנות החדשות האלה – באשר לשינויים בתפקיד השינה בגילים שונים, ותיאוריות החיזוי המתמטיות החדשות שמכמתות אותם – הן כלי חדש וחיוני להמשך עבודה זו.

ואן סאבאג' (Savage) הוא מרצה לאקולוגיה, ביולוגיה אבולוציונית ורפואה חישובית באוניברסיטת קליפורניה בלוס אנג'לס (UCLA). הוא גם חבר מן החוץ בסגל מכון סנטה פה.

ג'פרי ווסט (West) הוא פיזיקאי תיאורטי. הוא מחזיק בקתדרת שאנֶן במכון סנטה פה והוא נשיאו לשעבר. הוא מרצה אורח באוניברסיטת אוקספורד. ספרו האחרון הוא Scale: The Universal Laws of Life and Death in Organisms, Cities and Companies (משנת 2017).

AEON Magazine. Published on Alaxon by special permission. For more articles by AEON, follow us on Twitter.

תרגם במיוחד לאלכסון: תומר בן אהרון

תמונה ראשית: תינוק בן יומו: זה מה שהוא צריך, זה מה שהוא עושה - לישון. תצלום: Real Creation, אימג'בנק / גטי ישראל