Между тем ночью мозг продолжает работать так же интенсивно, как и в бодрствовании, и мы можем подтвердить это с помощью исследования, называемого электроэнцефалографией (ЭЭГ). Это исследование, доступное практически в любом лечебном учреждении, регистрирует электрическую активность нервных клеток, находящихся на поверхности головного мозга в виде волн. Для исследования сна используется ночная электроэнцефалография, когда человек спит с электродами на голове в специальной лаборатории. ЭЭГ-волны сна и бодрствования отличаются друг от друга так четко, что опытный специалист может определить время засыпания с точностью до секунды. Ни одно другое исследование не позволяет так четко разграничить сон и бодрствование.

В бодрствовании нейроны головного мозга работают обособленно, каждая группа нейронов занимается решением отдельной задачи, поэтому в сумме волны ЭЭГ во время бодрствования получаются невысокими. Отличием работы мозга во время сна является то, что в это время те же группы нейронов начинают работать согласованно, происходит суммация электрических потенциалов этих нейронов, и волны на ЭЭГ приобретают большую высоту и размах. Поэтому момент засыпания, когда картина ЭЭГ резко изменяется, обнаружить не так уж сложно.

Проведение ночной записи ЭЭГ также позволило обнаружить, что вроде бы один спокойный сон включает в себя два совершенно разных состояния. Первое называется фазой медленного сна, из-за того что на ЭЭГ в это время регистрируются медленные, широкие и крупные волны, усиливающиеся по мере углубления сна. Эта фаза занимает почти все время (около 75 %) сна, и характеризуется признаками замедления сердцебиения и дыхания, падения артериального давления, расслаблением мышц. Это состояние соответствует классическому представлению о сне как о пассивном восстанавливающем состоянии. С течением времени после засыпания фазы медленного сна становится все глубже, разная степень ее глубины характеризуется различными феноменами на ЭЭГ сна.

Однако примерно через час в картине сна происходят резкие изменения. Картина ЭЭГ становится похожей на бодрствующую – высокие медленные волны исчезают, им на смену приходят хаотичные «быстрые ритмы». Мышцы в это время максимально расслаблены, но периодически возникают вздрагивания. Это легче всего можно увидеть у спящих животных, когда они начинают вздрагивать, поскуливать и перебирать лапами, поскольку у них эта фазы сна случается чаще. Но самым важным отличием такого состояния сна от медленной фазы являются характерные движения глаз. Быстрые движения глаз за закрытыми веками в этот период могут быть заметны даже стороннему наблюдателю. Этому феномену мы и обязаны названием второй фазы – фазы сна с быстрыми движениями глаз, или, проще, быстрый сон. Если разбудить человека во время фазы быстрого сна, то он часто может рассказать об увиденном сновидении. Предполагают, что интенсивные движения глаз в эту фазу отражают слежение за объектами сновидений. Фаза быстрого сна занимает около 25 % всего времени сна.

Фазы медленного и быстрого сна сменяют друг друга каждые полтора часа – за ночь у человека проходит 4–6 таких циклов. У детей циклы сна короче – около 1 часа, поэтому ночь у них «вмещает» больше таких циклов.

В первой половине ночи, когда организму надо отдохнуть после прошедшего дня, восстановить физические силы, преобладает фаза медленного сна и хорошо выражена наиболее глубокая, третья стадия. Во второй половине ночи становится заметно больше сна с быстрыми движениями глаз. Пробудиться в эту фазу значительно легче, поэтому во второй половине ночи, мы становимся более чувствительными к различным воздействия и легче просыпаемся. Под утро также отмечаются более продолжительные периоды быстрого сна, ассоциированного со сновидениями. Неудивительно, что внешние впечатления на фоне неглубокого сна легко вплетаются в сюжетную линию сновидения, что неоднократно обыгрывалось в художественных произведениях.