Фазы сна для «чайников». Анализируем и улучшаем качество сна с фитнес-трекером

Еще каких-то 10 лет назад о фазах сна знали только врачи и люди, страдающие серьёзными расстройствами сна. А сегодня любой пользователь даже самого бюджетного фитнес-трекера может с удобством анализировать свой сон со всеми его фазами и даже автоматической оценкой качества. Но лучше от этого не стало.

Доступность фитнес-браслетов обрушила на современного пользователя целую гору физиологических показателей, с которыми он не знает, что делать. Некоторые из них довольно важны, но постоянно игнорируются (например, пульс в покое), а к другим, наоборот, следовало бы относиться попроще. И фазы сна — один из таких параметров.

Если вы любите просматривать отчеты о сне, приготовленные фитнес-браслетом, можете ли с уверенностью ответить на следующие вопросы:

• Как это улучшает качество сна?
• Что делать, если трекер показывает недостаток или переизбыток какой-то фазы сна? С чем это связано?
• На что влияет частота, количество и очередность фаз?
• Одинакова ли структура сна у всех людей и можно ли определить патологию по отчету браслета?

Ну и главный вопрос — можно ли доверять красивым графикам, нарисованным гаджетом за $50, если в медицине для оценки качества сна используются сложные устройства, стоимость которых составляет тысячи долларов? И в добавок нужно иметь соответствующее образование, чтобы понимать результаты измерений.

В этой статье мы попробуем разобраться с поставленными вопросами, научимся анализировать графики сна, построенные различными фитнес-трекерами и посмотрим, могут ли они как-то улучшить качество сна.

Структура сна. Или что такое фазы сна?

Сон гораздо сложнее, чем может казаться на первый взгляд. Мы не просто чувствуем сонливость, закрываем глаза и медленно «отключаемся», а под утро выходим из этого состояния.

На самом деле у сна есть строго определенная структура. Он состоит из 4-6 отрезков (циклов) длительностью от 70 до 110 минут каждый. Мозг непрерывно повторяет эти циклы раз за разом с момента засыпания до полного пробуждения. Если вы поспали 6 часов, значит у вас должно было пройти 4 цикла (в среднем по ~90 минут), а если спали 8 часов, значит циклов было около пяти.

Каждый цикл в свою очередь состоит из фаз, которых всего существует четыре. Это и есть те самые фазы сна, которые отслеживают фитнес-браслеты (за исключением, в основном, первой фазы):

Давайте посмотрим, как выглядит настоящий профессиональный отчет о сне — так называемая гипнограмма:

Здесь по горизонтали показано время суток (примерно с 22:00 до 08:00), а по вертикали — фазы сна, где W — это бодрствование, R — быстрый сон (четвертая фаза), N1 — дремота (первая фаза), N2 — легкий сон (вторая фаза) и N3 — глубокий сон (третья фаза).

Мы наглядно видим, как человек, засыпая, начинает погружаться в сон. Вначале он входит в первую фазу (N1), затем «проваливается» глубже (N2) и уже в 23:00 находится в самом глубоком сне (N3). Затем наступает четвертая REM-фаза, показанная на графике красным цветом.

Если с фазами всё понятно, то где же здесь циклы? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно знать одно простое правило:

Каждый цикл сна всегда заканчивается REM-фазой

Внутри цикла может быть любая последовательность фаз (N1 -> N2 -> N1 -> W -> N2-> N3), но заканчивается цикл всегда REM-фазой или быстрым сном. Помня об этом правиле, давайте еще раз взглянем на ту же гипнограмму, но уже с разбивкой по циклам (для наглядности выделим каждый цикл отдельным цветом):

У нас получилось 4 цикла сна, внутри которых были разные фазы. В первом цикле фазы шли так: N1 -> N2 -> N3 -> REM; во втором: N1 -> N2 -> N3 -> N2 -> W (пробуждение) -> N1 -> REM и так далее.

Когда заканчивается цикл (REM-фазой), мозг «заходит на второй круг». REM-фаза всегда переходит либо в пробуждение (и затем наступает первая фаза сна NREM1), либо в легкий сон (NREM2):

К слову, именно поэтому самое легкое и приятное пробуждение происходит только в конце цикла, когда мы либо самостоятельно просыпаемся после последней REM-фазы, либо когда нас будит будильник в начале первой фазы (NREM1).

Самое тяжелое пробуждение — в фазе глубокого сна, когда мозг «выключен» (наблюдается максимальная инерция сна, заторможенность). А самое интересное — в REM-фазе, так как именно во время быстрого сна мы видим яркие сновидения и можем их вспомнить, если прервать эту фазу. Что забавно, даже те люди, которым не снились сны уже много лет, на самом деле видели минимум 3-4 сна буквально в прошлую (и любую другую) ночь.

Зная правило 90-минутного цикла, вы можете поэкспериментировать с будильником даже без всяких гаджетов. Например, если вам нужно вставать в 8 утра, попробуйте вначале поспать 5 циклов (5*90=450 минут или 7.5 часов, значит 8 утра — 7.5 часов = ложиться спать в 00:30), а затем — 6 циклов (6*90=540 минут или 9 часов, значит 8 утра — 9 часов = ложиться спать в 23:00).

То есть, смысл в том, чтобы будильник не сработал посреди цикла и пробуждение было максимально легким и приятным.

Как видите, ничего сложного в фазах сна нет!

Да, мы еще не разобрались, что значат эти фазы и почему они идут в разной последовательности. Но давайте на этом моменте сделаем паузу, чтобы ответить на более фундаментальный вопрос.

Что вообще происходит?

Действительно, почему сон цикличен и почему циклы состоят из каких-то фаз? Почему этих фаз четыре, а не двадцать четыре? Какой прибор нужно подключить к человеку, чтобы получить такой красивый график и лично убедиться во всем этом?

На самом деле такого прибора не существует. Точнее, используется целый набор различных датчиков и приборов, которые выдают далеко не такие красивые и понятные картинки:

Специалист анализирует все эти волны и затем уже рисует те самые гипнограммы, на которых наглядно показано, как человек «проваливается» в сон.

Но как перейти от этих сложных графиков к привычным фазам?

Нам нужно ответить на этот вопрос, чтобы лучше осознать ту пропасть, которая лежит между самыми лучшими фитнес-трекерами и настоящим анализом фаз сна.

Каждая линия на этом графике — это показания отдельного прибора. К примеру, один датчик регистрирует температуру тела (линия THERM на картинке выше), другой — уровень кислорода в крови (линия SpO2), третий — пульс (линия HR), еще два следят за движениями левого и правого глаза (линии LEOG и REOG) и так далее.

Всё это необходимо учитывать для правильного и точного определения фаз сна. Но главное здесь — первые четыре графика:

Это так называемая электроэнцефалограмма, которая регистрирует электрическую активность мозга. Вы спросите — откуда в мозге электричество? Всё дело в нейронах — специальных нервных клетках, которые передают сигнал при помощи электричества.

Клетка отделяется от внешнего пространства оболочкой (мембраной) и на этой оболочке всегда присутствует электрическое напряжение. Это происходит благодаря ионным каналам и ионным насосам — специальным крохотным механизмам, встроенным в мембрану клетки. Некоторые из этих каналов постоянно открыты, благодаря чему заряженные ионы (калий, натрий, хлор) могут входить в клетку и покидать ее. Другие открываются только после активации (их можно активировать либо напряжением, либо химическим путем).

В результате такого перераспределения зарядов (количество положительно заряженных ионов снаружи клетки становится больше, чем ионов внутри) возникает мембранный потенциал. Это очень интересный и сложный механизм, но в рамках этой статьи мы не будем его подробно рассматривать.

Ритмы головного мозга

Главное здесь то, что в мозге постоянно протекает ток. И мы можем его фиксировать, просто приложив провода (электроды) к голове. Конечно, это не так эффективно, как если бы мы вставили электрод непосредственно в мозг, но зато очень удобно.

Проблема лишь в том, что этот электрический сигнал слишком слабый. Более того, если бы мы подключили электроды к голове активно бодрствующего человека, то ЭЭГ практически ничего бы нам не показала. Миллиарды нейронов отправляли бы сигналы другим клеткам в хаотичном порядке и мы бы не смогли выхватить из этого шума какой-то определенный сигнал.

Но когда человек успокаивается и закрывает глаза, происходит удивительная вещь под названием синхронизация. Десятки и сотни тысяч нейронов начинают периодически активироваться одновременно. Такой мощный объединенный сигнал проходит по голове и легко регистрируется даже снаружи.

Подобные волнообразные вспышки наблюдаются между различными группами нейронов с разной периодичностью и называются ритмами головного мозга.

Так вот, люди заметили, что во время сна постоянно чередуются электрические волны различной частоты — от быстрых хаотичных колебаний с маленькой амплитудой во время дремоты до очень медленных и мощных дельта-волн во время глубокого сна. То есть, ритмы мозга циклически меняются, пока человек спит.

Эти циклические изменения электрической активности мозга назвали фазами сна. Вы можете увидеть, как отличается электроэнцефалограмма в зависимости от того, в какой фазе находится человек:

Таким образом, задача специалиста состоит в том, чтобы правильно определить те или иные волны (вспышки электрической активности определенных популяций нейронов) и затем нарисовать красивый и понятный график сна. Мы можем видеть определенные признаки (тета-волны, сонные веретена, К-комплексы), облегчающие классификацию волн.

И на этом моменте у вас, наверное, возник вопрос о том, какое вообще отношение к нейронам мозга и их активности имеют фитнес-браслеты? Очевидно, никакой.

Как фитнес-браслеты и смарт-часы отслеживают фазы сна?

Как было показано выше, волны электрической активности мозга (ЭЭГ) — это только часть того, что приходится анализировать. И без дополнительных данных не получится нарисовать точную гипнограмму (некоторые признаки, например, сонные веретена, могут встречаться в разных фазах).

То есть, помимо волн, нужно также анализировать температуру тела, движение мышц, движение глаз, дыхание, пульс, уровень кислорода и многие другие параметры.

И вот здесь мы уже видим знакомые нам показатели!

Первые фитнес-трекеры отслеживали только движения мышц (при помощи акселерометра) и могли в лучшем случае более-менее точно определять время отхода ко сну и время пробуждения.

Затем добавился пульсометр и браслеты научились следить за пульсом во время сна. Пульсометры становились всё более точными и это позволило не только отслеживать пульс, но и его вариабельность (что это такое и почему это очень важно).

Дальше фитнес-трекеры обзавелись пульсоксиметром — прибором, измеряющим уровень кислорода в крови (SpO2). И теперь уже можно было следить за дыханием (задержка дыхания, вызванная апноэ во сне, отражается на сатурации крови кислородом). А вариабельность пульса служила дополнительным источником данных (при вдохе длительность между последовательными сокращениями сердца увеличивается, а при выдохе — сокращается).

Сегодня производители пробуют реализовать функцию измерения артериального давления, а в недалеком будущем должна появиться и функция измерения температуры тела.

Получается, фитнес-браслеты отслеживают массу вспомогательных показателей, кроме самого важного — ритмов головного мозга. Более того, даже если бы вы как-то смогли сделать ЭЭГ и загрузить данные в программу на смартфоне, полученная гипнограмма заметно бы отличалась от той, которую сделает специалист. Так как на сегодняшний день нет полностью автоматического метода создания точных гипнограмм.

Чтобы лучше понять, как фитнес-трекер пытается оценить сон лишь по косвенным показателям, давайте еще раз вспомним четыре фазы сна и посмотрим, что конкретно происходит в каждой из них с точки зрения физиологии человека:

Что происходит в первой фазе сна (NREM1 или Дремота)?

1. Немного снижается пульс
2. Замедляется дыхание
3. Глаза совершают медленные движения
4. Снижается температура
5. Мышцы расслабляются, но периодически возникают подёргивания

Что происходит во второй фазе сна (NREM2 или Легкий сон)?

1. Пульс и дыхание замедляются еще сильнее
2. Глаза уже неподвижны
3. Мышцы расслабляются еще сильнее
4. Периодически, при появлении К-комплексов (высокоамплитудных волн, возникающих во время легкого сна), может незначительно на короткое время повышаться пульс и артериальное давление

Что происходит в третьей фазе сна (NREM3 или Глубокий сон)?

1. Все физиологические показатели снижаются до минимума (пульс, дыхание, температура тела)
2. Мышцы максимально расслаблены
3. Мозговая активность значительно снижается

Что происходит в четвертой фазе сна (REM или Быстрый сон)?

1. Мозг начинает работать так же активно, как во время бодрствования, вы начинаете видеть яркие сны
2. Пульс учащается и становится нерегулярным, вы испытываете яркие эмоции во сне
3. Двигательные нейроны полностью подавляются, в результате чего руки и ноги парализуются, чтобы во время сна человек не вскочил с кровати и не наделал беды. И это не фигуральное выражение, вы буквально становитесь инвалидом во время быстрого сна и те, кто просыпался в таком состоянии, хорошо понимают, о чем идет речь (так называемый сонный паралич).
4. Глаза начинают очень быстро двигаться в стороны

Как видим, теоретически браслет способен определить некоторые фазы с высокой точностью. Особенно это касается REM-сна, когда акселерометр и гироскоп фиксируют полное отсутствие движений, в то время, как пульсометр — резкое повышение пульса.

Тем не менее, на практике всё выглядит не так радужно. И сейчас мы попробуем проанализировать несколько графиков сна, сгенерированных фитнес-браслетами и смарт-часами.

Анализируем фазы сна фитнес-трекером

Здесь важно понимать, что все фитнес-браслеты не только по-разному отслеживают сон, но и строят разные графики. Многие трекеры (Huawei, Samsung, Fitbit, Garmin, OPPO) рисуют классические двухмерные гипнограммы, только в более красочном виде. То есть, мы видим ту же структуру сна с погружением в фазы:

Но некоторые производители заменяют гипнограмму своим гораздо менее наглядным графиком. В частности, браслеты Mi Band, Amazfit Band и другие трекеры от Huami рисуют самые неудобные для восприятия плоские графики, в которых фазы отличаются только цветом:

Следующий момент связан с точностью определения фаз. Как мы уже разобрались, ни один трекер не отслеживает главный параметр — электрическую активность мозга. Поэтому отчеты могут быть очень далеки от реальности, хотя иногда некоторые фазы достаточно точно совпадают.

Именно из-за этой неопределенности/случайности не стоит относиться к анализу сна очень серьезно. Если вы видите график на подобие такого:

Можете смело игнорировать прошедшую ночь, так как отчет очевидно содержит массу ошибок. Прежде всего, здесь невозможно выделить отдельные циклы, которые, как мы знаем, должны заканчиваться REM-фазой (на графике показывается зеленым цветом).

Кроме того, сама структура сна неестественна. У любого человека основная часть глубокого сна (темно-синие столбики на графике) должна находиться в первой половине ночи. И наоборот, REM-фаза (быстрый сон) должна увеличиваться по мере приближения утра и большая ее часть припадает именно на последнюю треть сна. Здесь же практически весь сон состоит из REM-фазы с преобладанием глубокого сна в конце.

Бывают и другие ситуации, к которым не следует относиться слишком серьезно. Например, на этом графике мы видим полное отсутствие быстрого сна:

Такое, в принципе, может случиться, но причины для этого должны быть очень серьезными, например, прием сильнодействующих антидепрессантов.

А вот как выглядит нормальный график сна, который уже можно анализировать:

Единственная проблема здесь заключается в совершенно бессмысленных частых периодах бодрствования (оранжевые черточки вверху графика). Это известная проблема, которую Samsung не может решить уже много лет, так что не стоит обращать внимание на такую аномалию в отчетах.

На этом графике мы можем очень легко выделить отдельные циклы (всего 4 цикла):

Также мы видим, что большая часть глубокого сна была в первой половине ночи, а длительность REM-фазы увеличивалась к утру. В общем, вполне себе настоящая гипнограмма, если не считать некоторых погрешностей (скорее всего, здесь пропущен один цикл вначале, так как зачастую первое наступление REM-фазы происходит спустя 70-110 минут после засыпания).

Но вот насколько точно эта гипнограмма отражает ритмы мозга — это уже другой (и самый важный) вопрос, на который мы не получим ответ, если только параллельно не сделаем медицинскую гипнограмму.

Бывают ситуации посложнее, как например, на этом графике:

Первая очевидная ошибка здесь (если мы исключаем одно довольно редкое неврологическое расстройство) — это REM-фаза практически в самом начале сна. Ее здесь быть не должно, так как, повторюсь, первая REM-фаза наступает через 1-2 часа после засыпания.

Также мы видим под конец очень много непродолжительных фаз быстрого сна. Скорее всего, часть этих столбиков должна быть «склеена». Но даже принимая всё это во внимание, выделить отдельные циклы немного проблематично:

Если вы смогли выделить отдельные циклы на своем графике, тогда можно обращать внимание на суммарное количество сна в каждой конкретной фазе. Если же циклы практически не определяются, либо на графике совсем нет какой-то фазы, следует проверить, правильно ли вы носите свой фитнес-трекер.

Предположим, вы доверяете показаниям фитнес-трекера и видите правдоподобную картину в своих отчетах. Тогда остается разобраться с последним вопросом.

Зачем следить за фазами сна?

Очень важно ложиться спать в одно и то же время, чтобы не нарушать работу циркадного водителя ритмов (расстройство циркадного ритма — очень неприятное явление, которое может доставлять массу физических и психологических проблем).

Также важно не «экономить» на сне и спать достаточное количество времени. Но качество сна (количество фаз и их длительность) играют при этом не менее важную роль. Вы можете спать положенные 7-8 часов и всё равно испытывать множество проблем, связанных со сном, если у вас нарушены циклы сна.

Для хорошего психического и физического здоровья у человека в течение ночи должны присутствовать все фазы примерно в таком соотношении (в таблице указан процент относительно общего времени сна):

Важно заметить, что с возрастом происходят определенные изменения в структуре сна. В частности, снижается общее время сна, а также процент быстрого (REM) и глубокого сна:

Если же брать обычного взрослого человека, то, к примеру, продолжительность глубокого сна напрямую связана с секрецией гормона роста, важность которого невозможно переоценить:

Также во время глубокого сна происходит закрепление осознанных воспоминаний и новых знаний; выводятся продукты метаболизма нейронов, которые накапливаются в мозгу в течение дня; убираются ненужные связи между нейронами; восстанавливается иммунная система и происходит еще масса других важнейших процессов.

REM-фаза не менее важна и ее недостаток приводит к различным психическим и эмоциональным расстройствам (подавленное настроение, злость, апатия). Многие полагают, что именно REM-фаза играет важную роль в закреплении навыков, так как она отвечает за неосознаваемую память.

С другой стороны, переизбыток быстрого сна в течение ночи может оказывать негативное влияние. Ведь во время REM-фазы мозг работает так же активно, как и во время бодрствования, то есть, не отдыхает. Кроме того, переизбыток одной фазы связан с недостатком других фаз. В этом случае, даже после длительного сна, вы можете чувствовать себя разбитым и уставшим, эмоционально истощенным.

Анализ фаз сна может помочь определить различные проблемы со здоровьем. Например, при проблемах с дыханием (апноэ во сне) гипнограмма приобретает очень ярко выраженный характер:

На второй (проблемной) гипнограмме мы видим недостаток медленного и быстрого сна, вызванный частыми пробуждениями. Когда дыхание прекращается, в крови накапливается углекислый газ и «спящий» мозг получает сигналы включиться и исправить ситуацию.

Глубокий сон прерывается, тонус мышц глотки повышается и уровень кислорода восстанавливается. После этого мозг снова возвращается в режим «очистки» и восстановления (глубокой сон), но тут снова возникают проблемы с дыханием и всё идет по кругу.

Человек с такой гипнограммой может спать хоть по 8 часов, но его организм будет страдать от недостатка сна.

Встречаются и другие проблемы, которые можно заметить только при анализе фаз сна. Например, заболевание нервной системы под названием нарколепсия. В этом случае REM-фаза наступает буквально сразу после засыпания и повторяется очень часто (что-то похожее мы видели выше на графиках, приготовленных фитнес-трекерами).

Некоторые лекарства могут подавлять определенные фазы сна и человек не будет получать необходимого отдыха, даже строго соблюдая режим сна. То же касается алкоголя и никотина. И все эти проблемы можно заметить, если анализировать фазы сна.

Но не стоит забывать…

Я еще раз повторю очень важную мысль. Фитнес-браслеты не могут выступать в качестве надежного инструмента для анализа сна. Они с большой точностью показывают общее время сна и его регулярность, но когда дело доходит до анализа качества сна, необходимо здраво оценивать возможности этого устройства.

Трекеры никак не измеряют электрическую активность мозга и пытаются отследить фазы по второстепенным (вспомогательным) признакам.

Если вы хотите улучшить свой сон с помощью фитнес-браслета, тогда при анализе сна просто следите за тенденцией. Воспринимайте показания трекера как относительные величины и наблюдайте за их изменением в течение какого-то периода времени (увеличивается ли общее количество глубокого сна или REM-фазы).

И главное — не переживайте, если трекер показывает полное отсутствие или сильный дефицит какой-то фазы. В конце концов это всего лишь его «субъективное мнение», а не медицинский факт.

Алексей, глав. редактор Deep-Review