מדוע דולפינים, כלבי ים וחיות אחרות פיתחו את היכולת לישון כשמחצית ממוחם נשארת ערה?

בקיצור

  • במהלך השינה החושים מאבדים את אחיזתם במציאות, והתנועה שוככת. האתנחתא הזאת מעוררת את התהייה מדוע בעל חיים מכבה פעולות מוחיות בסיסיות למשך שעות ארוכות, ומותיר את עצמו מטרה נוחה לטורפים.
  • בעלי חיים מסוימים פתרו את הבעיה הזאת בכך שפיתחו את היכולת לישון רק באחד מחצאי מוחם, ולהישאר דרוכים עם החצי השני – מצב ביניים שמכונה שנת גלים איטיים חד-המיספרית.
  • הישנים למחצה מספקים כלי משמעותי לחקר השינה. המחקר יכול להיעשות על החלק הרדום של המוח, בעוד המחצית השנייה משמשת ביקורת עבור הניסוי. כך אולי אפילו נוכל להבין טוב יותר הפרעות שינה אנושיות.

אחד מהמאפיינים המדהימים ביותר של יצורים חיים, בעלי חיים וצמחים גם יחד, הוא האופן שבו הפיזיולוגיה וההתנהגות שלהם הותאמה לעקוב אחר התנודות בין אור היום לחשכת הלילה. שעון במוח שמסתנכרן עם אותות סביבתיים יוצר תהליכים ביולוגיים שמשתנים לאורך מחזור של 24 שעות – מחזורים צירקדיים (מהמילים הלטיניות circa ו-diam, שמשמעותן "בערך" ו"יום", בהתאמה). כך סיבוב כדור הארץ מועתק לדינמיקה של המעגלים העצביים שלנו.

מעגל הערות-שינה הוא מחזור צירקדי טיפוסי. ערוּת מתאפיינת בפעילות חישתית ובתנועה. במהלך שינה החושים מאבדים אחיזה במציאות והתנועה שוככת. אובדן ההכרה המחזורי הזה מופיע ברישומי אלקטרואנצפלוגרם (אא"ג) בתור חתימה ברורה: השינה העמוקה מורכבת מתנודות איטיות בעלות משרעת גבוהה. ערוּת, בניגוד לכך, כרוכה בתנודות מהירות עם משרעת נמוכה.

עם זאת, נותרו עוד פרטים רבים שאיננו מבינים לגבי השינה. מדוע בעל חיים מכבה פעולות חישתיות ותנועתיות בסיסיות למשך שעות, ומשאיר את עצמו פגיע לטורפים? השאלה הזו משמעותית במיוחד עבור יונקים ימיים, שנדרשים לווסת את נשימתם ואת טמפרטורת גופם כשהם ישנים.

באופן ראוי לציון, חיות מסוימות פתרו את הבעיה בכך שפיתחו את היכולת לישון במחצית ממוחם, בעוד החצי השני נשאר דרוך – התנהגות המכונה שנת גלים-איטיים חד-המיספרית (שגא"ח). יש בעלי חיים שמשתמשים בשגא"ח בנסיבות מסוימות, אבל מרדימים את שתי ההמיספרות שלהם בשעת הצורך. יונקים ימיים, מינים מסוימים של ציפורים ואולי גם זוחלים נכנסים למצב חצי-פעיל/חצי-כבוי, ולעיתים קרובות מחזיקים עין אחת פקוחה לאורך פרקי הזמן הללו. לאחרונה מדענים אפילו גילו שריד לקיומה של שינה חד-המיספרית אצל בני-אדם.

הישנים למחצה מספקים תמונה מרתקת של חקר השינה. בזמן שחוקרים את החצי הרדום של המוח, הצד הנגדי יכול לשמש בתור ביקורת כנדרש בניסויים. היכולת לשרוד במצב של חוסר שינה יחסי, כמו שעושים דולפינים וציפורים מסוימות, יכולה לספק תובנות לטיפול בהפרעות שינה, שפעמים רבות משפיעות על המיספרה מוחית אחת יותר מאשר על השנייה.

ישנים, בערך

חקר השינה החד-המיספרית החל בשנת 1964, כשהחוקר השנוי במחלוקת ג'ון ק' לילי (Lilly) העלה את ההשערה שדולפינים יכולים לישון בצד אחד בלבד של המוח, אחרי שצפה בהם עוצמים רק אחת מעיניהם במהלך מנוחתם היומית. לילי הניח שכשהם ישנים, הדולפינים עדיין יכולים לראות ולשמוע את סביבתם. נדרשו ניסויים נוספים כדי לקבוע מה קורה במוחם של היונקים הימיים.

הלווייתנאים – לווייתנים, דולפינים ופוקניים – נותרו גם כעת מושאי מחקר על שינה חד-המיספרית. בעלי החיים הללו שימרו שתי תכונות פיזיולוגיות שהותירו להם אבותיהם הקדמונים יושבי היבשה: ריאות שנושמות אוויר ומנגנונים לשמירת טמפרטורת גוף כמעט קבועה במים (תרמורגולציה). שינה של חצי המוח אפשרה להם כנראה לשמר את התכונות הללו בסביבה ימית.

קרוב יותר לתקופתנו, בחנו לב מוחמטוב (Mukhametov) ועמיתיו ממכון א"נ סוורטסוב לאקולוגיה ואבולוציה באקדמיה הרוסית למדע, יותר לעומק את המתרחש במוחות הלווייתנאים. מוחמטוב ועמיתיו חקרו לעומק את שנתם של דולפינים מהמין הקרוי דולפינן. הם מצאו באופן עקבי ברישומי אא"ג שהמיספרה אחת שלהם הייתה במצב של שנת גלים-איטיים, בשעה שהשנייה נותרה ערה. רק לעיתים נדירות הם צפו בשינה בשתי ההמיספרות (שנת גלים איטיים דו-המיספרית, או שגא"ד), ולא מצאו סימנים חותכים לקיומה של שנת ריצודי עיניים מהירים (שנת רע"מ – REM) המזוהה עם חלומות.

חצי פועל, חצי כבוי
אזורי מוח רבים, לרבות גזע המוח, ההיפותלמוס ובסיס המוח הקדמי, מגיבים במהלך מחזור הערות-שינה. אצל דולפינים, תיאום קפדני בין המיספרת המוח הימנית לשמאלית מאפשר לצד אחד לישון בשעה שהשני נשאר ער. מודל של השינה החד-המיספרית שפותח בשנת 2012 באוניברסיטת סידני מציג כיצד הגרעינים הוונטרולטרליים הקדם-אופטיים (VLPO) בהיפותלמוס בשתי ההמיספרות מעבירים מסרים בין הצד הימני לשמאלי כדי לקבוע מי מהם צריך לישון בזמן שחברו יישאר דרוך. התפרים האחוריים בגזע המוח שותפים גם הם לתקשורת הזאת.

במהלך שגא"ח ההמיספרה הערה של הדולפינן שולטת בשחייה ובעלייה לפני המים כדי לנשום. כפי ששיער לילי על סמך תצפית שטחית, עינו הפקוחה, המקושרת למחצית המוח הנגדית הערה, מאפשרת לדולפין להישמר מטורפים ולשחות בתיאום עם חברי הלהקה שלו, בשעה שהחצי האחר של המוח נח. בשנת 1999 גילה פ' דאון גולי (Goley) מהמחלקה לביולוגיה באוניברסיטת המבולדט סטייט, כפי שהבחינו גם גווידו ניונה (Gnone) מהאקווריום של גנואה באיטליה ועמיתיו ב-2001, שכשדולפינים שחו בקבוצה, העין הפקוחה של חבר להקה שמרה על קשר עין עם האחרים. אם אחד הדולפינים עבר צד, תבנית העיניים התהפכה.

דולפינים גם מתמודדים עם טמפרטורות מים נמוכות שחושפות אותם לאובדן חום משמעותי. החזקת המיספרה אחת של המוח ערנית במהלך מנוחה מאפשרת לבעלי החיים לשמור על חום גופם על ידי כך שהם מניעים לעיתים תכופות את סנפיריהם וזנבם כדי לשחות ולתמרן קרוב לפני המים בעודם ישנים – כפי שגילו פרנשרי פילאי (Pillay) ופול ר' מנגר (Manger) מאוניברסיטת ויטווטרסטרנד ביוהנסבורג.

אנחנו יודעים שאצל לווייתנאים וחיות נוספות, מחזור הערות-שינה הכולל נשלט על ידי יחסי גומלין בין מבני מוח רבים, לרבות גזע המוח, ההיפותלמוס ובסיס המוח הקדמי. לא ברור מה בדיוק מווסת את השינה החד-המיספרית, אם כי יש לנו רמזים. בשנת -2012 פיתחו דיוויד ג' קדזיורה (Kedziora) ועמיתיו מאוניברסיטת סידני מודל מתמטי של שגא"ח שנועד לייצג את הרגלי השינה של דולפינים. לפי המודל, מבנים בהיפותלמוס בכל המיספרה – הגרעינים הוונטרולטרליים הקדם-אופטיים – מחליפים מסרים כדי לשלוט בזמן שבו כל המיספרה תישן.

נראה שאותות עיכוב מועברים בין שתי ההמיספרות יכולים לאפשר לצד אחד ללכת לישון בזמן שהשני נותר ער. מבני מוח עמוקים, כמו התפרים האחוריים בגזע המוח, מעורבים גם הם. (התפרים האחוריים גדולים במיוחד אצל דולפינים, עובדה שמעוררת תהיות לגבי תפקידם בניהול השינה). המודל של אוניברסיטת סידני העניק למדעני מוח דרך לחקור את המנגנונים שבאמצעותם המוח מנהל את המשימה העדינה של הקצאת שינה להמיספרה זו או אחרת.

מסתמן שגם אותות שמתקבלים מהסביבה משחקים כאן תפקיד. מכיוון שתאי עצב מעודדי שינה בהיפותלמוס רגישים לטמפרטורה, עלייה או ירידה בטמפרטורת המוח גורמת לשינוי מקביל בקצב הירי של תאי העצב הללו. ובאמת, בשנת 1982 מצאו מוחמטוב ועמיתיו שבמהלך שגא"ח טמפרטורת המוח של דולפינים יורדת בהמיספרה הישנה ונותרת קבועה בזו שנשארת ערה.

הסתגלות יחידאית

הלווייתנאים התפתחו מאב קדמון יבשתי המשותף גם להיפופוטמים ולמפריסי פרסה נוספים. המעבר מהיבשה לסביבה ימית היה הדרגתי, וייתכן שכלל שלב מעבר ימי למחצה שדרש הסתגלות פיזיולוגית והתנהגותית משמעותית. כתוצאה מכך, הרגלי השינה של הלווייתנאים מייצגים דוגמה יחידאית להסתגלות לסביבה חדשה, המשקללת בין הצורך בשינה להישרדות.

בעלי חיים אחרים עושים פשרות דומות. הטורפים הימיים (כלבי ים, אריות ים ודומיהם), למשל, סיגלו מגוון פתרונות אבולוציוניים לבעיה הדומה של נשימה ושינה במים וביבשה. משפחות מסוימות של כלבי ים לא משתמשות כלל בשגא"ח. הפתרון הזה לא התפתח אצל כלבי ים "אמיתיים" (Phocidea), לרבות כלבי ים נבליים ופילי ים.

דובי ים צפוניים (ממשפחת האוטריים: Otariidea) מציגים לעומת זאת סיפור אחר. בשנת 2017 ציין אולג י' ליאמין (Lyamin) ממכון א"נ סוורטסוב לאקולוגיה ואבולוציה כי בשונה מהדולפינים, שרק לעיתים נדירות חווים שגא"ד וייתכן שאינם חווים כלל שנת רע"מ, דובי ים צפוניים עוברים סוגי שינה שונים, לרבות שגא"ד, רע"מ ושגא"ח, הן במים והן ביבשה. על היבשה, שנת שגא"ד היא השולטת. במים, שנת שגא"ח מתרחשת לפרקי זמן ממושכים יותר יחסית לשינה ביבשה. שנת רע"מ פוחתת מאוד במים או אף נעלמת כליל.

דובי ים. שינה מגוונת | צילום: שאטרסטוק

כשדובי הים טובלים במים וחווים שגא"ח, הם מאמצים לעצמם תנוחה שמאפשרת להם לישון, לנשום ולעקוב אחרי טורפים מתקרבים: הם שוכבים על צד אחד עם סנפיר אחד במים וחותרים איתו בהתמדה, בעוד שלושת הסנפירים האחרים שלהם נשארים מחוץ למים כדי לצמצם את אובדן החום. נחיריהם נשארים בתוך כך מחוץ למים ומאפשרים להם לנשום. ההמיספרה בצד הנגדי לסנפיר הנע (ולעין הפקוחה) ערה ומאפשרת לחיה לשדר פקודות תנועתיות לחתירה ולשמירה על תנוחה יציבה. על היבשה, שגא"ח מאפשרת לדובי הים להיזהר מטורפים ולתאם את הפעילות עם חבריהם, אבל אינה עוזרת בבקרת נשימה, באיזון טמפרטורת הגוף או בתיאום התנועה.

גם ציפורים מסוימות ישנות שינה חד-המיספרית כדי לאזן בין הצורך במנוחה ודריכות לצורכי הגנה. (לפעמים השגא"ח משולבת עם שגא"ד ורע"מ). בשנת 1996 ידוויגה שימצ'ק (Szymczak), מאוניברסיטת ניקולאוס קופרניקוס בפולין, תיעדה את התרחשותם של גלים איטיים באא"ג מהמיספרה אחת של ציפור שַׁחְרוּר. וב-2001, נילס רטנבורג (Rattenborg) ועמיתיו מהמחלקה למדעי החיים באוניברסיטת אינדיאנה סטייט מצאו אותו דבר אצל יונים.

באופן דומה, ב-1999 מצא רטנבורג שברכיות (מין של ברווז) ישנות בחצי מוח אחד בלבד כדי להישמר מאיומים. ברווזים ששמרו על עין אחת פקוחה כשנמצאו בשולי הלהקה הראו 150 אחוז יותר שגא"ח לעומת ציפורים שנמצאו בלב הלהקה. מרק א' אלגר (Elgar) מאוניברסיטת מלבורן באוסטרליה דיווח במחקר מ-1989 שהדריכות פוחתת ככל שהלהקה גדלה וככל שמתקרבים למרכז שלה.

ברכיות במנוחה | צילום: שאטרסטוק

ציפורים נודדות מסתמכות גם הן במהלך טיסות ארוכות ללא עצירה על אסטרטגיות שינה מגוונות. בשנת 2016 חקר צוות בראשות רטנבורג, שעבר בינתיים למכון מקס פלאנק לאורניטולוגיה בסיוויסן שבגרמניה תופעות של שגא"ח ושגא"ד אצל ציפורי פריגטה גדולה (Fregata minor), במהלך עשרת ימי ביקורן באזור. במהלך שגא"ח בודדת, המיספרה אחת הראתה תבנית אא"ג של ערות בצד הנגדי לכיוון הפנייה בטיסה, שמצביע על כך שהעין הפקוחה בצד הנגדי בחנה לאן הלהקה מתקדמת. כמו כן, תומס פוקס (Fuchs) מאוניברסיטת באולינג גרין גילה ב-2006 שהקיכלי הזיתני (Catharus ustulatus) מפצה על חוסר השינה הנצבר במהלך טיסת לילה על ידי הגדלת משך השינה הכולל, תנומות קצרות לאורך היום – ועצימת עין אחת כשהוא מתיישב על ענף.

ומה איתנו?

בני אדם לא חווים שגא"ח קלאסי, אבל במקרים מסוימים הם חווים משהו דומה לכך. מסאקו טמאקי (Tamaki) וקבוצתה מאוניברסיטת בראון תיעדו את האא"ג של שאנשים שלנו בלילה בסביבה לא מוכרת. בפרסום משנת 2016 ציינה טמאקי שרישומי האא"ג הראו גלים איטיים בהמיספרה הימנית המעידים על שינה עמוקה, ופעילות של גלים איטיים רדודים בהמיספרה השמאלית, אות למצב ערני יותר. יתרה מזאת, היה קל יותר להעיר את ההמיספרה השמאלית מאשר את המחצית השנייה. האסימטריה הזו, המכונה "אפקט הלילה הראשון", נעלמת בלילה השני אבל כנראה משמרת התנהגות של דריכות במקום לא מוכר. זה מזכיר אימהות ששומרות על סף התעוררות נמוך לשמע בכי או צלילים אחרים המזוהים עם התינוקות שלהן.

אנו עשויים להרגיש מחסור בשינה אחרי לילה ראשון מחוץ לבית. אבל נראה שחיות אחרות שישנות באופן קבוע רק בצד אחד של המוח הסתגלו היטב לשגרה הזאת. אלו ששוקעים בשנת שגא"ח מבלים פחות זמן בשינה לעומת אלה שישנים שנת שגא"ד או רע"מ.

למרות זאת, יכולתם לשחות, לעוף, לאכול או לקיים קשריים חברתיים עם להקתם נשארת ללא שינוי. דולפינים מבלים כמעט שני שליש מיומם ערים, ואת שאר הזמן בשגא"ח, כשהם מווסתים את זמן השינה בין שתי ההמיספרות. יכולת ההתאוששות של המוח והגוף שלהם, לעומת זאת, לא נפגמת כנראה, למרות היעדרה של שנת רע"מ.

בשנת 1997 דיווחו מוחמטוב ועמיתיו שדולפינים במחקרי שינה נראים תמיד בריאים. בשבי, במצב שבו מדענים יכולים לצפות בהם מקרוב, דולפינים למדו וזכרו משימות מורכבות. פריגטות צמצמו מאוד את זמן השינה הכולל שלהן בשעה שעפו, אך עדיין הפגינו רמות גבוהות של קשב וביצועי טיסה יעילים במהלך מסעותיהן הארוכים.

אריה ים ישן על היבשה | צילום: שאטרסטוק

נראה שבעלי חיים מסוימים מצליחים להתמודד על ידי חלוקת נטל השינה החצויה עם חבריהם. ברכיות שפעלו כזקיפי הלהקה ושמרו על עין אחת פקוחה, איבדו שעות שינה, אך לא נגרם להם נזק נראה לעין שהתבטא בהתנהגותן. למחרת היום העבירו העופות את השרביט לחבר אחר בלהקה. שינה חד-המיספרית מרתקת את קהילת החוקרים כי היא מדגימה את מגוון האסטרטגיות האבולוציונית שהתפתחו כדי לאפשר לבעלי חיים לזכות במנת המנוחה היומית שלהם.

העניין שעוררו ניסויי השטח בשגא"ח עשה את דרכו גם למעבדה, ככלי לחקר תפקידה של השינה בעיצוב התפתחות המוח מיד לאחר הלידה. ב-1999 הקבוצה שלי במחלקה לפסיכולוגיה כללית באוניברסיטת פדובה שבאיטליה גילתה שאפרוחי תרנגולות שזה עתה בקעו, חוו יותר שינה באופן משמעותי בהמיספרה השמאלית שלהם במהלך השבוע הראשון לחייהם. בתקופה הזאת של ראשית חייהם האפרוחים העדיפו את ההמיספרה הזאת כדי ללמוד גירויים – תבניות וצבעים - שמוחותיהם הצעירים נדרשו לעבד בפעם הראשונה: נראה שהשינה מילאה תפקיד בארגון הדברים שנלמדו זה עתה.

השינה של ההמיספרה הימנית התעצמה אצל האפרוחים במהלך השבוע השני לחייהם, כשפעילויות כמו ניתוח מרחבי ועיבוד של אירועים חדשים גברו בצד הזה. כשאימנו אפרוחים לבצע משימה של אבחנה בין צבעים, הם העדיפו לאחר מכן יותר שגא"ח שמאלי (עם העין הימנית עצומה וההמיספרה השמאלית ישנה), כי ההמיספרה הזו מילאה תפקיד מרכזי בלמידה על צבעים. אפרוחים השתמשו בעין השמאלית למשימות של למידה מרחבית שדרשו מהם לבחור אחד מתוך ארבעה מכלים באחת מפינות הלול. הם היו צריכים לבחור את המכל עם החור בראשו שהכיל פרס אכיל. כשסיימו, האפרוחים הציגו יותר שגא"ח ימני (עם העין השמאלית עצומה וההמיספרה הימנית ישנה), כדי לתת מנוחה לצד המוח שמתמחה בסוג כזה של משימות.

ההמיספרה הפעילה יותר – בשגא"ח ובשגא"ד גם יחד – בילתה יחסית יותר זמן בשינה כדי לאפשר התאוששות. בינתיים העין הפקוחה, הנשלטת בידי ההמיספרה הפחות דומיננטית, לקחה על עצמה את מלאכת ההשגחה מפני טורפים והמודעות לסביבה הקרובה. למעשה, כשהזיזו עצם כהה מול הכלוב במהלך שגא"ח, האפרוחים התעוררו מיד, נזעקו והשמיעו קולות מצוקה. הדריכות נותרה בעינה, אבל לא גרעה מהשינה כזמן שמשמש לעיבוד החוויות החישתיות האינטנסיביות של הימים הראשונים בעולם החדש.

בסופו של דבר, חקר בעלי חיים שישנים עם חצי מוח יכול לסייע לנו להבין את התעלומה הביולוגית המתמשכת של השינה – ואולי אפילו הפרעות שינה של בני אדם. דום נשימה והפרעות נוספות משפיעים לפעמים על המיספרה אחת יותר מאשר על השנייה. המחקרים האלה עשויים לעזור לנו לגלות איך מין מסוים מאזן את התועלת של המנוחה עם הצורך להגן על עצמו מפני טורפים רעבים.

שינה של צד אחד של המוח היא פתרון מבריק לדילמה הזאת, שכן היא מאפשרת לבעל החיים לחוות מצבי מודעות וחוסר מודעות בעת ובעונה אחת. מחקרים על שינה חד-המיספרית מהדהדים את אמרתו המפורסמת של הרקליטוס מלפני אלפי שנים: "אפילו נשמה השקועה בשינה עובדת קשה, ועוזרת לעשות משהו בעולם".

תרגם: גל מנלה

פורסם במקור בגיליון יוני 2019 של סיינטיפיק אמריקן

לקריאה נוספת

  • tacean Sleep: An Unusual Form of Mammalian Sleep. Oleg I. Lyamin et al. in Neuroscience & Biobehavioral Reviews, Vol. 32, No. 8, pages 1451–1484; October 2008.
  • Physiologically Based Quantitative Modeling of Unihemispheric Sleep. D. J. Kedziora et al. in Journal of Theoretical Biology, Vol. 314, pages 109–119; December 7, 2012.
  • Unihemispheric Sleep and Asymmetrical Sleep: Behavioral, Neurophysiological, and Functional Perspectives. Gian Gastone Mascetti in Nature and Science of Sleep, Vol. 8, pages 221–238; 2016.
  • Evidence That Birds Sleep in Mid-Flight. Niels C. Rattenborg et al. in Nature Communications, Vol. 7, Article No. 12468; August 3, 2016.
  • Sleep in the Northern Fur Seal. Oleg I. Lyamin et al. in Current Opinion in Neurobiology, Vol. 44, pages 144–151; June 2017.

מארכיון סיינטיפיק אמריקן

  • שינה עם חצי המוח. כריסטוף קוך; גיליון ספטמבר 2016.

0 תגובות