1. Циркадианные часы
2. Супрахиазматическое ядро
3. Молекулярные часы
4. Коротко
5. Список использованной литературы

В 1984 г. на фабрике пестицидов фирмы Юнион Карбайд в Бхопале (Индия) произошла утечка большого количества цианистого газа, из-за чего погибло больше 15 000 человек. Несчастный случай произошел между 3 и 5 ч утра. Реактор в Чернобыле взорвался в 1986 г. около 3 ч утра во время проверки безопасности, когда технический персонал пропустил сигналы тревоги.

В реакторе на Три-Майл Айленд вблизи Харрисберга (Пенсильвания, США) в 1979 г. около 4 ч утра произошел перегрев, который удалось остановить лишь незадолго до взрыва. Аварийный выключатель был закрыт листом бумаги, а обслуживающая смена только что заступила. Известно, что большинство людей рождаются в промежутке между 3 и 5 ч утра и умирают примерно в это же время.

Большинство врачебных ошибок при операциях, а также аварийных ситуаций происходят между 3 и 5 ч утра. Эту статистику можно было бы продолжить, и она показывает, какое сильное воздействие оказывают физиологические и психологические ритмы смены дня и ночи.

а) Циркадианные часы. Чередование различных стадий сна и бодрствования управляется внутренними часами, которые обладают циркадианной периодичностью и синхронизируются с 24-часовым внешним ритмом так называемыми временными указателями.

1. Внутренние часы. Даже если люди полностью изолированы от внешнего мира, у них наблюдается стабильный ритм сна и бодрствования. Эта периодичность примерно соответствует естественной продолжительности суток. При изоляции от внешнего мира такая свободно текущая циркадианная периодичность остается сохранной в течение месяцев.

В условиях изоляции, длящейся более суток, у некоторых людей циркадианная периодичность удлиняется или сокращается вследствие того, что их собственные внутренние часы идут слишком медленно или слишком быстро. Однако внутренние часы существуют не только для сна и бодрствования, но и для многих других функций организма. Эти часы часто синхронизируются друг с другом. Однако без внешних временных указателей (см. ниже) их взаимная связь может распасться.

Циркадианный ритм сна-бодрствования и многие связанные с ним ритмы физиологических и психологических функций управляются эндогенными генераторами (внутренними часами) в центральной нервной системе (ЦНС). Эти внутренние часы состоят из нейронов, мембрана которых ритмически разряжается, регулируя таким образом уровень своего заряда.

Основной ритм эндогенных генераторов, регулируемый молекулярными часами, синхронизируется внешними и внутренними стимулами, которые называются временными указателями, имеющими околосуточную периодичность. Для человека самый сильный временной указатель — это яркий свет (7000-12 000 люкс), однако и социальное взаимодействие оказывает значительное влияние на ритмы смены дня и ночи (рис. 1).

2. Различные осцилляторы. Не все внутренние часы, однако, обладают одинаковой периодичностью. Так, максимумы температуры тела (треугольник вершиной вверх) в первые дни свободно текущего циркадианного ритма значительно сдвигаются по направлению к синхронизированному ритму активности-покоя или сна-бодрствования.

Максимальное удлинение ритма сон-бодрствование в условиях изоляции (рис. 1) достигает 8 ч, т. е. наблюдаются бициркадианные ритмы; при этом вегетативные функции полностью рассогласовываются (внутренний десинхроноз) и протекают с первоначальной продолжительностью периода в 24 ч. Другими словами, менее гибкие «температурные часы» не могут следовать за новой экстремально длительной периодичностью «часов активности», и из-за этого рассогласовываются с ритмами активности-покоя или сна-бодрствования.

P.S. Расстройства биоритмов в связи с перелетом через несколько часовых поясов («джетлаг») и сменной работой. Если циркадианный период резко сдвигается, например укорачивается после перелета на восток или удлиняется при перелете на запад, то циркадианным системам нужен приблизительно один день на 1 часовой пояс, чтобы снова вернуть нормальное положение акрофазы по отношению к внешним указателям времени.

Ресинхронизация осуществляется при перелетах на запад значительно быстрее, чем при перелетах на восток (удлинение продолжительности фазы ресинхронизуется легче, чем укорочение фазы). Отдельные системы тоже различаются по периоду ресинхронизации: социальная и профессиональная виды активности позволяют быстро приспособиться к сдвигу временного указателя, а температура тела и другие вегетативные функции осуществляют свою перестройку медленнее. Такой диссонанс, возникающий после длительных перелетов, постепенно сходит на нет.

3. Сменная работа. Чтобы избежать катастроф и несчастных случаев, вызванных усталостью и нарушением циркадианных ритмов, лучше использовать более продолжительные периоды ночных смен, разделенные более продолжительными периодами дневных смен и длительным отдыхом. Слишком короткие периоды отдыха негативно сказываются на внимании, циркадианных ритмах и физической выносливости, в частности на систему кровообращения и желудочно-кишечный тракт (у работающих в ночную смену повышенный уровень риска сердечно-сосудистых заболеваний).

На рисунке представлен результат адаптации к сменной работе. Стрелки изображают минимум температуры и минимум адреналина. Посредством нисходящих сдвигов на 3 ч фаз света (200012 000 люкс, «L» — светло-желтые клетки) линия температуры пролегает впереди, и график сна (ярко-желтые клетки) «приспосабливается» к линии температуры. Засыпание возможно только на опускающейся ветви линии температуры, обычно минимум температуры тела наблюдается между 3 и 5 ч утра.

б) Супрахиазматическое ядро. Центральным, но не единственным генератором ритма сна-бодрствования является супрахиазматическое ядро (SCN).

1. Главный осциллятор. Супрахиазматическое ядро расположено в переднем гипоталамусе прямо над зрительной хиазмой и представляет собой высшее регулирующее звено циркадианной системы (master clock). От ретиногипоталамического пути супрахиазматическое ядро получает информацию об окружающей освещенности. Ретиногипоталамический тракт (РГТ), в свою очередь, получает информацию об освещенности и темноте от специализированных биполярных ганглиозных клеток сетчатки.

В них содержится циркадианный фоторецептор меланопсин, который преобразует свет и передает эту информацию через глутаматергические синапсы сначала в РГТ, а далее в клетки супрахиазматического ядра.

Повреждения супрахиазматического ядра приводят к полной аритмичности многих функций организма и поведения; так, не оказывая никакого влияния на общее время сна, они служат причиной тому, что подопытные животные бодрствуют и спят без какого-либо ритма. Эксплантаты клеток супрахиазматического ядра сохраняют свою ритмичность, а трансплантация супрахиазматического ядра доноров животным-рецепиентам, у которых это ядро предварительно разрушено, переносит циркадианный ритм животного-донора на реципиента.

Изолированные клетки супрахиазматического ядра тоже сохраняют свою ритмичность.

2. «Соподчиненные» (вторичные) осцилляторы. В качестве регулятора супрахиазматическое ядро эфферентно синхронизирует различные «соподчиненные осцилляторы» в мозге и на периферии. Это происходит через посредство ритмических разрядов и ритмической секреции тормозящих и активирующих факторов, в основном нейропептидов.

Как электрическая активность, управляемая медиаторами, так и секреторная, действуют на суправентрикулярную зону гипоталамуса, и оттуда через специфические проекции на соответствующие мишени (например, клетки в базальной области переднего мозга, имеющие отношение ко сну, или моноаминергические клетки ствола мозга и холинергических областей, участвующие в регуляции REM-сна, и др.).

в) Молекулярные часы. Ритмическая экспрессия «часовых генов» ответственна за эндогенные ритмы.

1. Per и Cry. Эндогенный генератор в клетках супрахиазматического ядра млекопитающих синтезирует два белка: Clock (circadian locomotor output cycles kaput) и Cycle. Оба белка соединяются в димер, т. е. в протеиновую пару, которая может внедряться в клеточное ядро и там присоединяться к ДНК per-гена (per означает «период») и cry-гена (cry — криптохром, который, к примеру, служит фоторецептором голубого света в сетчатке) (рис. 2).

Синтезированные белки Per и Cry объединяются в τ-белок, и комплекс Per/Cry/Tau тормозит активность димера ClockCycle и замедляет транскрипцию генов Per и Cry в течение дня; таким образом, выработка белков Per и Cry замедляется. Это способствует тому, что торможение образования димера Clock-Cycle ослабляется, и теперь он снова может стимулировать транскрипцию per и cry. Весь цикл занимает приблизительно 24 ч, причем свет возбуждает выработку Per через глутаматергическую передачу по волокнам РГТ и при этом синхронизует цикл с периодами дня и ночи.

Мутации в генах per, cry или белка Clock разрушают циркадианную периодичность; некоторые мутации летальны, некоторые повышают риск рака и снижают активность иммунной системы. Путем мутации в гене per активизируются гены, которые способствуют неконтролируемому росту клеток и развитию рака. Это может (по крайней мере, отчасти) объяснить существующую взаимосвязь между активностью иммунной системы и глубоким сном, а также нарушения здоровья, возникающие из-за ночной работы (рис. 3).

В процессе эволюции молекулярные механизмы регуляции циркадианного биоритма почти не изменились, так что с помощью простых манипуляций с часовыми генами можно добиться последующих сдвигов ритмичности в физиологии организма.

2. Немедленные ранние гены. Молекулярные механизмы синхронизации клеток супрахиазматического ядра (SCN) так же, как в других клетках организма, управляются непосредственной экспрессией немедленных ранних генов (immediate early genes). Немедленные ранние гены SCN активируются с помощью света; уже через несколько минут в клетках СХЯ SCN можно определить активацию с-fos протоонкогенов. Белок c-fos служит фактором транскрипции в немедленных ранних системах, которые резко вмешиваются в регуляцию пролиферации клеток и дифференцировку мембраны.

Быстрая экспрессия фактора транскрипции происходит из-за роста концентрации цАМФ или Са²⁺ после возникновения нервного импульса, которые воздействуют на фосфорилирование фактора транскрипции.

Если блокировать с-fos в вызывающих сон структурах мозга, то потребность во сне снижается, означая, что внутриклеточные каскады ответственны как за гомеостатические, так и за циркадианные ритмы (рис. 2).

P.S. Наряду с SCN существуют и другие часы (например, для температуры тела), которые образуют сложную сеть накладывающихся друг на друга ритмов (например, BRAC, см. ниже). В основном считается, что за бодрствование и различные стадии сна отвечают множественные подкорковые мозговые структуры и их нейромодуляторы (медиаторы и гормоны), которые одновременно принимают участие в выполнении и других функций. Многие из таких структур и веществ должны взаимодействовать; при этом сон и бодрствование возникают и ритмически сменяют друг друга.

г) Коротко:

1. Циркадианная периодичность. Циркадианная (лат. cirka — около, dies — день) периодичность смены сна и бодрствования приблизительно соответствует продолжительности суток и автономно управляется эндогенными осцилляторами (внутренними часами). Ритмы вырабатываются молекулярными механизмами, прежде всего клетками супрахиазматического ядра, и синхронизируются внешними и внутренними стимулами (временными указателями) с периодичностью в 24 ч.

2. Молекулярные механизмы. У всех живых организмов ритмичность клеток супрахиазматического ядра управляется молекулярными часами при участии нескольких генов. Происходит ритмическая транскрипция определенных «часовых генов». Замедление времени образования и распада белковых продуктов этих генов определяют ритм возбудимости клеточной мембраны эндогенных осцилляторов.

- Рекомендуем ознакомиться далее "Цикл сна-бодрствования у человека - с точки зрения физиологии человека"

Редактор: Искандер Милевски. Дата публикации: 27.12.2024