Цайтгеберы - с точки зрения нейрофизиологии

Продолжительность светлого и темного времени суток варьирует в зависимости от географической широты и сезона. Чтобы оставаться эффективными, биологические часы должны быть в состоянии прогнозировать фактическое время смены дня и ночи в течение суток. Если свободно текущий суточный ритм имеет периодичность, отличную от 24-часовой, каким образом настроенные на циркадный ритм биологические часы могут точно определять время?

Сдвиги суточного ритма говорят о том, что биологические часы напоминают не очень хорошо работающие часы, которые неправильно показывают время и потому бесполезны.

Однако, если плохо работающие часы переустанавливать каждый день (например, в момент пробуждения), с их помощью можно получить ценную информацию. Ашофф обнаружил, что в тот момент, когда жившие в бункере участники эксперимента снова стали регулярно получать световые сигналы, периодичность их циркадных ритмов восстановилась.

Ашофф и его команда назвали такие синхронизирующие биологические часы природные сигналы цайтгеберами (нем. zeitgebers — отметчики времени). Результаты множества исследований показывают, что самым мощным цайтгебером для многих животных, в том числе для человека, является свет.

а) Подгонка циркадных ритмов. Регуляцию биоритмов цайтгеберами называют подгонкой к 24-часовой периодичности. Раздел ниже «Клинические аспекты: Сезонное аффективное расстройство» рассказывает о важности такой подгонки циркадных ритмов. Благодаря подстройке биологических часов животное может выстраивать распорядок дня, определяя время приема пищи, физической активности и сна.

У животных, обитающих в полярных регионах, подстройка к постоянной освещенности летом и постоянной темноте зимой находится за пределами возможностей их биологических часов; у таких животных биологические часы отключаются. Для человека наиболее эффективным цайтгебером является солнечный свет — как восход солнца, так и закат. Однако существует множество не связанных с солнечным светом цайтгеберов — температура воздуха, активность, время приема пищи, работа и социальные события.

Если событие происходит в одно и то же время изо дня в день, оно может работать как цайтгебер, обеспечивая подгонку циркадных ритмов.

- Нарушение циркадных ритмов. То, что мы долго не ложимся спать, продолжая бодрствовать при искусственном освещении, долго спим по утрам в некоторые дни и встаем рано по будильнику в другие дни, приводит к сбоям циркадных ритмов. Световое загрязнение, то есть избыток источников искусственного освещения на наших рабочих местах, в домах и окружающей нас среде, также способствует нарушению циркадных ритмов.

Световое загрязнение увеличилось в связи с применением светодиодных источников света, в которых отсутствуют фильтры синего света (см. разд. «Клинические аспекты»). Нарушения циркадных ритмов могут стать причиной поведенческих нарушений, приводящих к авариям, сонливости в дневное время, изменениям эмоционального состояния, ожирению, диабету и другим расстройствам, характерным для метаболического синдрома, который описан в разд. «Клинические аспекты: Делаем правильные вещи в правильное время» в этой статье на сайте.

Многие из указанных симптомов проявляются у людей, живущих в высоких северных или южных широтах, — продолжительные периоды постоянной освещенности и темноты затрудняют подгонку циркадных ритмов (Jagannath et al, 2017).

Подгонка к 24-часовой периодичности наиболее эффективна в случае необходимости небольшой подстройки биологических часов. У людей, работающих по ночам, наблюдаются значительные сдвиги, в особенности у тех, кто работает в ночную смену (обычно с 23:00 до 7:00), в то время, которое в норме является временем сна. Результаты исследований показывают, что адаптация к таким изменениям — это сложный и стрессогенный процесс, который увеличивает восприимчивость к заболеваниям из-за нарушения циркадного регулирования иммунной системы (Paganelli et al., 2018).

По сравнению с людьми, работающими по обычному дневному графику, у людей, работающих в ночную смену и вынужденных переключаться между рабочим и нерабочим графиком, чаще встречается метаболический синдром. Таким образом, чтобы свести к минимуму иные факторы риска развития метаболического синдрома, работающим посменно следует уделять особое внимание качеству сна и рациона, а также физическим упражнениям. К сменному графику лучше адаптируются люди, которые работают в вечернюю смену (обычно с 15:00 до 23:00) и заканчивают работу к началу ночной смены.

После дальних авиаперелетов, например, из Северной Америки в Европу или Азию, нам также приходится долго и тяжело восстанавливать суточный ритм. Например, путешественники, летящие на восток из Нью-Йорка в Париж, начинают свой первый день в Европе как раз тогда, когда их биологические часы сигнализируют о том, что пора спать (рис. ниже).

Джетлаг. Более выраженная десинхронизация биоритмов возникает у путешествующих с запада на восток ввиду значительного нарушения циркадных ритмов. На пути обратно подстройка биологических часов происходит гораздо легче

Рассогласование циркадного ритма человека с суточным ритмом на новом месте из-за смены часовых поясов (джетлаг) может привести к дезориентации и усталости.

Путешествующим с запада на восток, как правило, труднее адаптироваться, чем путешествующим с востока на запад, которым просто приходится бодрствовать чуть дольше обычного. Редко путешествующим людям обычно проще справиться с десинхронизацией биоритмов, поспав по прилете или вскоре после прилета. Биологические часы мозга подстраиваются в течение суток, а на подстройку ритмов других органов уходит около недели. Часто путешествующим людям и летным экипажам приходится сложнее.

Устойчивая десинхронизация биоритмов, вызванная сменой часовых поясов, приводит к нарушениям ритмов сна и температуры тела, общей слабости, стрессу и даже снижению результативности спортивных команд, если продолжительность полета с запада на восток составляет более 3 ч (Diekman & Bose, 2018).

б) Клинические аспекты: Сезонное аффективное расстройство. Одно из объяснений природы сезонного аффективного расстройства (САР) — формы депрессии, встречающейся у 10% живущих в северных широтах людей, — сводится к тому, что низкий уровень инсоляции в зимний период приводит к невозможности подгонки циркадных ритмов. Это, в свою очередь, приводит к нарушениям суточных ритмов у отдельных индивидов.

Поскольку разным людям свойственна разная периодичность свободно текущих ритмов, невозможность подгонки к 24-часовой периодичности влияет на людей по-разному. У некоторых людей возникает опережение фазы сна — с каждым днем их начинает клонить в сон все раньше; у других людей возникает задержка фазы сна, характеризуемая поздним засыпанием. Чжан и его коллеги (Zhang, 2016) описали мутации гена Period, одного из генов, отвечающих за синхронизацию циркадных ритмов, которые могут быть ассоциированы с предрасположенностью к САР и задержке фазы сна.

Вызвав нокаут гена Period у мышей, эта группа исследователей смогла получить мышей с депрессией. Полученные результаты подтверждают связь между нарушениями циркадных ритмов и депрессией.

Поскольку экспрессирующие светочувствительный пигмент меланопсин ганглионарные клетки сетчатки восприимчивы к синему свету, ученые предположили, что воздействие содержащим синий компонент ярким белым светом способно обеспечить подстройку биологических часов и уменьшить симптомы депрессии. Такое лечение, называемое фототерапией, предполагает удлинение дня в зимний период за счет воздействия на человека ярким искусственным светом по утрам или по утрам и вечерам (Martensson et al., 2015). Обычное комнатное освещение имеет недостаточную яркость.

Следует учитывать еще одно обстоятельство: недостаток солнечного света в зимний период может привести к дефициту витамина D, который также может вызвать симптомы депрессии (Kerr et al., 2015).

в) Закрепление изученного. Прежде чем продолжить, проверьте себя.
1. Многим формам поведения свойственна ритмичность. Период таких биоритмов может составлять около года ( _____ ритмы) или около суток ( _____ ритмы).
2. Несмотря на то что биологические часы отличаются точностью, в отсутствие ежедневной подстройки _____ периодичность регулируемых ими _____ ритмов может быть немного меньше или немного больше 24 ч.
3. _____ и _____ могут приводить к нарушению циркадных ритмов.
4. Расскажите о важности циркадных ритмов.

г) Ответы на вопросы для самоконтроля:
1. Цирканнуальные; циркадные.
2. Цайтгеберами; свободно текущих.
3. Любые два ответа, в любом порядке: световое загрязнение; джетлаг; посменная работа; работа в ночную смену.
4. Циркадные ритмы позволяют нам синхронизировать наше поведение с метаболическими процессами в организме, например благодаря циркадным ритмам мы чувствуем голод в оптимальное для приема пищи время и устаем в оптимальное для засыпания время.

- Читать далее "Супрахиазматическое ядро и биологические часы - с точки зрения нейрофизиологии"

Редактор: Искандер Милевски. Дата публикации: 25.10.2023