Биологические ритмы - с точки зрения нейрофизиологии

а) Клинические аспекты: Делаем правильные вещи в правильное время. Все мы слышали такое утверждение: регулярный сон и здоровое питание являются залогом крепкого здоровья. Научные данные подтверждают, что это действительно так.

Мы, люди, дневные животные: мы активны в светлое время суток и спим в темное время суток. Такой ритм сна и бодрствования называют циркадным ритмом — он определяет не только время нашего сна, но и другие аспекты поведения, такие как время приема пищи. Циркадные ритмы присущи многим другим животным.

Сегодня наша среда обитания позволяет нам менять наш циркадный ритм двумя способами. Благодаря искусственному освещению мы можем бодрствовать до глубокой ночи, а доступность пищи, в первую очередь легко усваиваемых высококалорийных продуктов, позволяет нам есть в любое время, когда мы захотим.

Нарушения природного циркадного ритма приводят к ряду расстройств, известных как метаболический синдром. Такие расстройства увеличивают риск развития расстройств сна, сердечно-сосудистых заболеваний и диабета (Lajoie et al., 2015). Причиной метаболического синдрома может быть сбой биологических часов — механизмов в нервной системе, регулирующих периодические изменения в поведении.

По-видимому, в организме человека присутствуют биологические часы двух типов: одни контролируют сон и бодрствование, а другие — функции имеющих отношение к потреблению пищи внутренних органов: печени, поджелудочной железы и кишечника. Часы, контролирующие сон и бодрствование, реагируют на свет, а часы, контролирующие процессы пищеварения, — на прием пищи.

Биологические часы этих двух типов обладают реципрокной активностью — сбой в работе часов одного типа влечет за собой нарушение работы часов другого типа. Нерегулярный сон и нарушение режима питания приводят к десинхронизации биологических часов. Скорость метаболизма, уровень глюкозы в плазме и выработка инсулина поджелудочной железой могут уменьшаться и увеличиваться в неподходящее время, приводя к ожирению и диабету.

Одним из способов профилактики и лечения диабета может быть нормализация режима сна и бодрствования, а также режима питания.

У человека ритмическое повторение цикла сонбодрствование, приемов пищи, физической активности и социальных взаимодействий происходит в течение многих дней и лет. Другие животные изо дня в день делают то же самое, а еще мигрируют, впадают в спячку, сбрасывают или отращивают перья или мех при смене сезона. В этой и последующих статьях на сайте мы рассмотрим вопросы, связанные с такими суточными и сезонными ритмами.

Мы расскажем о том, как мозг создает биологические ритмы, почему возник сон, а также о том, какие механизмы в нервной системе отвечают за сон, пробуждение и расстройства сна.

Сначала мы рассмотрим биологические ритмы, а затем представим доказательства того, что за формирование некоторых из этих ритмов отвечают биологические часы. Поскольку внешним сигналам может быть свойственна неоднородность, мы покажем, как наши биологические часы применяют адаптивные механизмы, чтобы интерпретировать такие сигналы. Мы также приведем данные о влиянии конфликта между поведением и биологическими часами на здоровье человека.

б) Биологические ритмы. Биоритмы — это периодически повторяющиеся изменения поведения или биологических функций. Они возникли у древнейших одноклеточных организмов; сейчас биоритмы присутствуют у всех живых организмов.

Одной из характеристик циклической активности является период — время, необходимое для завершения одного цикла.

Различные формы поведения и функции организма подчиняются разным биоритмам. Периодичность цирканнуалъных ритмов составляет около года. Цирканнуальная периодичность свойственна миграционному и брачному поведению многих животных. Другие биоритмы характеризуются наличием месячных или сезонных циклов — их называют инфрадианными ритмами.

В качестве примера инфрадианного биоритма можно привести менструальный цикл, средняя периодичность которого составляет 28 дней, и связанные с ним гормональные изменения у женщин. Менструальный цикл связан с лунным циклом, поэтому его также относят к циркалунным ритмам (Amariei et al., 2014). Период циркадных ритмов составляет около суток — одним из примеров такого ритма является цикл сон—бодрствование у человека; циркадным ритмам подчиняются многие другие биологические функции организма.

Период улътрадианных ритмов короче суток. Например, ультрадианные ритмы управляют нашим пищевым поведением — у человека интервалы между приемами пищи составляют от 90 мин до 2 ч, с учетом перекусов.

P.S. В переводе с латинского circa означает вокруг, annum — год, a diem — день.

в) Происхождение биоритмов. Биоритмы присущи большинству животных и растений, в том числе одноклеточным организмам, однако эволюция биоритмов все еще не изучена. Очевидно, что биоритмы помогают живым организмам адаптироваться к циклическим изменениям внешней среды, связанным с вращением Земли вокруг своей оси и вокруг Солнца. Ось вращения Земли наклонена, поэтому, когда Земля делает годовой оборот вокруг Солнца, одну часть года Северный и Южный полюса немного наклонены к Солнцу, а другую часть года — от Солнца (рис. 1).

Рисунок 1. Происхождение биоритмов. Когда Земля вращается вокруг своей оси в течение суток, она обращена к Солнцу то одной, то другой стороной. На стороне, обращенной к Солнцу, — день, а на противоположной стороне — ночь. Сезонные изменения температуры и длины светового дня в течение года обусловлены наклоном оси Земли к плоскости ее орбиты

В близких к экватору регионах продолжительность дня и ночи мало меняется в течение года, но по мере удаления от экватора продолжительность дня увеличивается. Когда Южное полушарие наклоняется к Солнцу, день в нем становится длиннее, а ночь — короче; в Северном полушарии укорачивается день и удлиняется ночь. Затем при смене времени года возникает обратная ситуация.

Циркадные ритмы позволяют организму приспособиться к смене дня и ночи, а также к относительному удлинению или укорочению дня и ночи на широте обитания. Цирканнуальные ритмы помогают животному адаптироваться к происходящим в течение года изменениям внешней среды, особенно если животное обитает в северном или южном климате.

Помимо проблем, связанных с суточными и сезонным изменениями, животные сталкиваются с проблемами смены широты. Миграция требует адаптации к изменениям продолжительности дня и ночи, изменениям климата и доступности пищи. Ниже мы расскажем, как биоритмы помогают нам адаптироваться к суточным изменениям, а затем рассмотрим взаимодействие между различными биоритмами — более короткими и более длительными.

- Эксперимент. Являются ли движения растения экзогенными или эндогенными?

Вывод. Движение растения является эндогенным. Оно обусловлено функционированием внутренних часов, которые продолжают отсчитывать сутки.

1. Циркадные ритмы. У человека циркадным ритмам подчиняются не только сон и бодрствование, но также частота пульса, температура тела, скорость деления клеток, состав крови, концентрация внимания, состав мочи, скорость метаболизма, половое влечение, пищевое поведение, восприимчивость к лекарственным препаратам, когнитивные способности и эмоции. Активность практически всех клеток нашего организма меняется в соответствии с циркадными ритмами.

Циркадные ритмы присутствуют не только у животных. Ритмическое поведение наблюдается и у растений — в качестве примера можно привести виды растений, листья или цветки которых открываются днем и закрываются ночью. Подчиняющееся циркадным ритмам ритмическое поведение свойственно даже одноклеточным водорослям и грибам. Для некоторых животных, в том числе ящериц и крабов, характерны ритмические изменения окраски. Например, флоридский хамелеон становится зеленым ночью, а днем приобретает покровительственную окраску. Иными словами, циркадные ритмы формируются практически у всех живых организмов и живых клеток (Bosler et al., 2015).

- Эндогенное происхождение циркадных ритмов. Циркадные ритмы создает эндогенный (внутренний) механизм, который называют биологическими часами. Существование биологических часов первым предположил геофизик Жан-Жак Дорту де Меран (Jean Jacques d’Ortous de Mairan) в 1729 г. (см. Raven et al., 1992). В рамках эксперимента, аналогичного рассмотренному в выше разд.

«Эксперимент», п. «Процедура», де Меран помещал растения в среду, где отсутствовали такие стимулы, как изменения освещенности и температуры. Он заметил, что приуроченные к циклу день-ночь ритмические движения листьев сохранялись и после изоляции растения (см. выше разд. «Эксперимент», п. «Результаты»).

Ученых, проводивших исследования после де Мерана, волновал вопрос существования некоего неизвестного внешнего фактора, стимулирующего ритмические процессы у растений. Такими факторами могли бы быть изменения температуры, магнитных полей и даже интенсивность космической радиации. Однако дальнейшие эксперименты показали, что ежедневные флуктуации являются эндогенными — их создают сами растения. Это значит, что у растений должны быть биологические часы.

Подобные эксперименты показывают, что почти все организмы, в том числе человек, имеют внутренние часы, которые синхронизируют поведение с временем суток и позволяют делать прогнозы на будущее. Внутренние часы сигнализируют нам о следующем: продолжительность светового дня сегодня говорит о том, что завтра продолжительность светового дня будет примерно такой же. Внутренние часы позволяют нам предвосхищать события и готовиться к ним как на физиологическом уровне, так и на когнитивном. В отсутствие вмешательства внешних факторов биологические часы регулируют пищевой режим, режим сна и бодрствования, а также метаболическую активность в соответствии с циклом день—ночь.

Биологические часы также провоцируют эпигенетические изменения — они влияют на экспрессию генов в каждой клетке организма (Gaucher et al., 2018).

- Измерение циркадных ритмов. Хотя о существовании внутренних биологических часов узнали около 300 лет назад, тщательное исследование биоритмов стало возможным только после изобретения электрических и компьютеризированных устройств для измерения времени. Для поведенческого анализа необходимы метод подсчета поведенческих событий и эффективный метод представления таких событий.

Например, чтобы измерить поведение, крысе сначала предоставляют доступ к беговому колесу (рис. 2, А). Компьютер регистрирует каждый оборот колеса и отображает результат (рис. 2, Б). Поскольку крысы — ночные животные, которые спят в светлое время суток и активны в темное время суток, они обычно бегают в колесе в темноте. Если наложить активность, зарегистрированную в течение одних суток, на активность, зарегистрированную в течение предыдущих суток, можно получить диаграмму суточного цикла активности.

Рисунок 2. Регистрация суточной активности крысы.

Посмотрев на диаграмму, можно понять, когда и каким образом животное демонстрирует активность (рис. 2, В). Сейчас для измерения циркадных ритмов у принимающих участие в исследованиях людей используют инновационные устройства — смарт-часы и смартфоны со встроенными датчиками движения.

- Читать далее "Свободно текущие ритмы - с точки зрения нейрофизиологии"

Редактор: Искандер Милевски. Дата публикации: 25.10.2023