На сегодняшний день существует множество теорий, объясняющих, чем занят наш мозг во время сна. Первой была сформулирована сосудистая (циркулярная) теория сна. Её сторонники связывали сон с изменением кровотока в мозге. Одни считали, что происходит отток крови, другие полагали приток крови к головному мозгу, но в дальнейшем выяснилось, что во время сна вообще происходят колебания кровенаполнения сосудов мозга, и это не основная причина.

Первые гуморальные (химические) теории сна объясняли наступление сна за счет веществ, накапливающихся в организме во время бодрствования: углекислого газа, молочной кислоты, холестерина или токсических веществ (продуктов обмена). Выяснилось, что в мозговой ткани долго не спавших животных изменялась форма ядер и мембрана клеток была изъедена. Создавалось впечатление, что мозговая ткань была поражена каким-то ядом. В результате возникло понятие «сонный яд» или гипнотоксин.

Доказательством этой теории служил эксперимент, при котором бодрствующей собаке переливали кровь животного, лишенного сна в течение суток. Животное-реципиент немедленно засыпало. Но гуморальные факторы не могут рассматриваться как абсолютная причина возникновения сна.

Сегодня ученым известно многое о процессах, происходящих во время сна, но главный вопрос о природе и назначении сна остается открытым. Предположений было выдвинуто много, все они аргументированы с той или иной стороны.

Рефлекторная теория. Сон – результат торможения коры головного мозга, связанный со снижением числа импульсов, идущих от рецепторов и афферентации (пассивный сон) и торможением вслед за продолжительным возбуждением (активный сон).

Биохимическая теория. Она основывается на изменениях уровня биологически активных веществ – серотонина, норадреналина и пептидов.

Биоритмологическая теория. Согласно этой теории цикл сон – бодрствование отражает циркадианные (околосуточные) ритмы человека и животных.

В дальнейшем появились центральные теории сна. Возникло мнение, что в головном мозге существуют центры сна, и сон наступает в результате возбуждения этих центров (активные теории). Другие считают, что сон возникает в связи с прекращением сигналов, потоков информации к коре головного мозга и тогда наступает сон (пассивные теории).

Сон восстанавливает определённый тип клеток головного мозга, то есть наращивается производство клеток, которые создают защитный материал, известный как миелин (миелин образует оболочку нервных волокон, изолируя их от внешних воздействий). Нехватка миелина развивает склероз. Доктор Киара Сирелли и её коллеги из университета Висконсина обнаружили, что скорость производства миелина удваивается во время сна.

Некоторые ученые считают, что сон нужен для отдыха органов чувств, которые не могут бесконечно воспринимать стимулы внешней среды; для перевода оперативной памяти в постоянную и наоборот, то есть избавление от ненужных сведений на основе полученного опыта и так далее.

Одни учёные думают, что во время сна мозг обрабатывает и сортирует информацию, накопленную во время бодрствования. Другие полагают, что именно во сне мозг принимает решения к которым не смог прийти во время бодрствования.

Некоторые биологи высказывают гипотезу, что во время сна организм «переписывает» сведения из кратковременной памяти в долговременную. Врач-сомнолог Сергей Ярош считает, что организм во сне обрабатывает накопленную за день информацию и заряжается энергией.

Израильские молекулярные биологи под руководством Лиора Аппельбаума выяснили, что во сне клетки мозга занимаются починкой собственной ДНК. Дело в том, что интенсивная активность нейронов в течение дня ведет к накоплению разрывов и других деформаций в их ДНК. Аппельбаум объясняет: «Это как ремонт ям на дороге. Дорожное полотно неизбежно изнашивается, когда по нему едут машины, особенно в час пик. Чинить ямы рациональнее всего ночью, когда движение не такое плотное». Исследование Аппельбаума показало, что во время бодрствования хромосомы в нейронах почти не двигаются и остаются в частично «свернутом» состоянии. Во сне же хромосомы «расплетаются», раскрывая нити ДНК: запускается процесс починки.

Также полагают, что время глубокого сна активизируется специальная глимфатическая система очистки центральной нервной системы. По аналогии с лимфатической системой организма, глимфатическая система представляет собой «мусороуборочный» механизм для ЦНС. Она состоит из сети микроскопических каналов между нейронами, по которым циркулирует спинномозговая жидкость. Ее задача – выводить накопившиеся за день токсины. Нарушения в работе глимфатической системы приводят к скоплению «отходов» в мозге.

Доктор биологических наук Иван Пигарев выдвинул «висцеральную теорию», согласно которой в период сна мозг занят обработкой не сигналов, поступающих из внешних сенсорных каналов (зрения, обоняния, осязания, слуха), а сигналов, идущих из внутренних органов. Иначе говоря, нам необходимо перейти в режим сна и дать возможность мозгу разобраться с накопившимися вопросами. Если это своевременно не сделать, то могут начать возникать различные патологии.

Отдельно рассматривался быстрый сон. Во время парадоксального сна клетки мозга чрезвычайно активны, но информация от органов чувств к ним не поступает и не подается на мышечную систему. В этом и заключается парадоксальность такого состояния.