Нервный центр циркадианной системы это

Классификация биоритмов

В зависимости от критериев, положенных в их основу, существует несколько видов классификаций биоритмов.

1. В зависимости от источника происхождения биологические ритмы делят на экзогенные и эндогенные. Экзогенные ритмы – это колебания, вызванные периодическими воздействиями извне. Они являются пассивными реакциями на колебания факторов окружающей среды. Эндогенные ритмы – автономные (спонтанные, самоподдерживающиеся, самовозбуждающиеся) колебания, обусловленные активными процессами в самой системе. Эндогенные биоритмы поддерживаются механизмами обратной связи. В зависимости от того, на каком уровне биологической организации она замыкается, различают биоритмы в клетках (митотический цикл), органах (сокращения кишечника), организмах (овариальный цикл) и т. п.

2. По выполняемой функции биологические ритмы делят на физиологические и экологические. Физиологические ритмы – рабочие циклы отдельных систем (сердцебиение, дыхание и т. п.). Экологические (адаптивные) служат для приспособления организмов к периодичности окружающей среды. Период (частота) физиологического ритма может изменяться в широких пределах в зависимости от степени функциональной нагрузки. Период экологического ритма, напротив, сравнительно постоянен, закреплен генетически. Экологические ритмы в естественных условиях захвачены циклами окружающей среды, которые могут быть как природными, так и социальными. Они выполняют функцию биологических часов. С их помощью организмы ориентируются во времени.

По величине периода биологические ритмы выстраиваются в широкий спектр – от долей секунды до десятков лет. При этом их, как правило, подразделяют на следующие классы по ритмам:

Высокочастотные ритмы процессов жизнедеятельности – это большинство рабочих ритмов эндогенного происхождения, отражающих состояние соответствующих физиологических систем. В их основе лежат ритмические осцилляторы клеточных мембран возбудимых клеток. Нервные и мышечные клетки благодаря ионным процессам, происходящим на их мембранах, способны генерировать серии ритмично следующих импульсов. Это обеспечивает работу сердца, дыхательных мышц и других висцеральных органов.

Характеристика биологических ритмов различной частоты представлена в таблице 2.5. Для многих физиологических процессов отмечено одновременное наличие ряда ритмов с различной длиной периода. Так, ритмы дыхания и кровообращения обладают кроме своей собственной еще и суточной периодикой. Биоритмы с разными периодами у одного организма могут оказывать взаимное модулирующее влияние, но обычно сравнительно независимы. Биоритмы с одинаковым периодом, напротив, часто сопряжены иерархическим образом. Оптимальное осуществление физиологических функций организма возможно лишь при условии согласования, координации его биоритмов как между собой, так и с ритмами окружающей среды.

Таблица 2.5.Классификация ритмической активности организма и основные свойства ритмов (по: И. Е. Оранский, 1988)

Окончание табл. 2.5

Ведущую роль во временной организации деятельности живого организма играют суточные и сезонные биоритмы. При этом главным ритмом, стержнем является околосуточный или циркадианный ритм, поскольку строгая повторяемость изменений внешней среды, сопровождающая суточное вращение планеты, – один из главных факторов, к которому в процессе эволюции необходимо было приспособиться живым организмам.

Другие исследователи связывают происхождение биологических часов с состоянием клеточных мембран (мембранная теория). Согласно данной теории, цикличность наблюдаемых процессов регулируется состоянием липидно‑белковых мембран и их проницаемостью для ионов калия, которая периодически изменяется. Мембранные структуры клетки, обладая рецепторными свойствами, контролируют биоритмы, связанные с фотопериодизмом и действием температурных факторов.

Третья, самая многочисленная группа исследователей отдает предпочтение мультиосцилляторной модели биоритмов.

Рис. 2.3.Альтернативные модели (1–3) циркадианной организации у млекопитающих (по: М. Moore‑Ede, et at., 1976)

• По одной версии в сложном многоклеточном организме может функционировать главный генератор ритма (пейсмекер), навязывающий свой ритм либо остальным системам, не способным генерировать собственный (рис. 2.3, 1), либо второстепенным осцилляторам, также обладающим пейсмекерными свойствами, но иерархически подчиненным ведущему (рис. 2.3, 2).

• Второй вариант мультиосцилляторной модели исключает существование главного пейсмекера. Согласно этому варианту, в организме могут функционировать разрозненные осцилляторы, которые образуют отдельные группы, работающие независимо друг от друга. Каждая группа имеет свой пейсмекер с собственным периодом колебательных процессов (рис. 2.3, 3). Предполагается существование нескольких входов для различных экзогенных факторов.

В настоящее время признано, что циркадианная система организма строится по мультиосцилляторному принципу, согласно которому автономные генераторы суточных ритмов объединяются в несколько групп сцепленных осцилляторов, относительно независимых друг от друга. Что касается механизма биологических часов, то уже не вызывает сомнения сам факт наличия клеточных пейсмекеров, способных генерировать автоколебания с околосуточным периодом.

По мнению некоторых исследователей, физиологическая система, обеспечивающая поддержание и согласование циркадианных ритмов организма, включает:

– осцилляторы (колебательные системы);

– проводящие пути и рецепторы.

Пример такого построения системы представлен на рисунке 2.4.

Рис. 2.4.Некоторые структуры и связи, ответственные за циркадианные ритмы у позвоночных (по: Г. Шеперд, 1987)

Фоторецепторы глаза выполняют двоякую роль. Они участвуют не только в зрительном восприятии, но и в регуляции циркадианных ритмов, реагируя на суточные изменения освещенности. Импульсы, в которых закодирована информация о степени освещенности, передаются по зрительным нервам (ретиногипоталамический тракт) из сетчатки в супрахиазматические ядра (СХЯ) гипоталамуса, которые играют роль центрального синхронизатора ритмов. Супрахиазматические ядра связаны с верхним шейным симпатическим ганглием и с эпифизом. Обладая пейсмекерными свойствами, СХЯ влияют на другие структуры мозга, также обладающие осцилляторными свойствами. Последние, получив информацию через гипоталаморетикулярную систему, посылают ее через симпатические нервы, берущие начало в верхнем шейном симпатическом ганглии, клеточным осцилляторам, локализованным в различных органах и тканях.

В механизм восприятия изменений освещенности вовлечен и эпифиз, который в темное время суток вырабатывает больше гормона мелатонина, а в светлое – серотонина. Мелатонин принимает участие в управлении уровнем половых гормонов, а также кортикостероидов, обладающих четко выраженной суточной периодикой, и, возможно, антагонистически взаимодействует с меланофорным гормоном гипофиза.

Ведущую роль во временной координации всего многообразия циклических процессов, протекающих в организме, играют суточные колебания функциональной активности нервной и эндокринной систем. Это касается деятельности высших отделов ЦНС, вегетативной нервной системы, гипоталамуса, гипофиза и других желез внутренней секреции.

Совпадение секреторной активности гипофиза с определенными стадиями сна свидетельствует о наличии центральных механизмов интеграции суточных колебаний нервной и эндокринной систем. Таким связующим звеном, очевидно, являются адренергические и серотонинергические системы мозга, которые участвуют, с одной стороны, в регуляции выработки и высвобождения гипоталамических релизинг‑факторов, с другой – в формировании ритмов сна.

Центральные механизмы координации биоритмов нервной и эндокринной систем модулируют биологические ритмы других физиологических функций. Так, суточная периодичность характерна для метаболических процессов, энергообмена, температуры тела, функционирования систем крови, кровообращения, дыхания, пищеварения. В течение суток происходят колебания умственной и физической работоспособности.

К экологическим ритмам, помимо циркадианных, относятся приливные с периодом около 24,8 и 12,4 ч, лунные – около 29,5 сут. и годичные – около 12 мес. Основные свойства экологических ритмов сходны. Они эндогенны, поддерживаются на клеточном уровне, в ограниченном диапазоне периодов поддаются захватыванию внешними задатчиками времени, вне этого диапазона переходят к свободному бегу. Однако эффективные синхронизаторы для них различны. Циркадианные ритмы подчиняются суточным изменениям освещенности, приливные – признакам прилива (таким, как перепады гидростатического давления и т. п.), лунные – признакам полнолуния (освещение в ночное время), годичные – сезонным изменениям длины светового дня.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Циркадианный ритм нужен, чтобы точно подстраивать все аспекты физиологии и поведения к требованиям 24-часового мира. Он предвосхищает ежедневные изменения в продолжительности светового дня, в температуре, доступности пищи и даже в поведении хищников и заранее готовит организм к изменениям в окружающей среде, чтобы он был полностью адаптирован.

В течение циркадного дня (бодрствования) наша физиология в основном настроена на переработку накопленных питательных веществ, чтобы получить энергию для активной дневной жизни. Напротив, во время циркадной ночи питательные вещества накапливаются, происходят восстановление и "починка" тканей. Как оказалось, эти изменения в интенсивности обмена веществ регулируются эндокринной системой, то есть гормонами.

Вечером, перед наступлением ночи, в кровь из так называемого верхнего мозгового придатка - эпифиза выделяется "гормон ночи" - мелатонин. Это удивительное вещество производится эпифизом только в темное время суток, и время его присутствия в крови прямо пропорционально длительности световой ночи. В ряде случаев бессонница у пожилых людей связана с недостаточностью секреции мелатонина эпифизом.
Мелатонин вызывает снижение температуры тела, кроме того, он регулирует продолжительность и смену фаз сна.
Перед пробуждением здоровый организм должен быть готов к активному бодрствованию, в это время кора надпочечников начинает вырабатывать возбуждающие нервную систему гормоны - глюкокортикоиды. Наиболее активный из них - кортизол, который приводит к повышению давления, учащению сердечных сокращений, повышению тонуса сосудов и снижению свертываемости крови. Вот почему клиническая статистика свидетельствует о том, что острые сердечные приступы и внутримозговые геморрагические инсульты в основном приходятся на раннее утро.
В 1972 году двум группам американских исследователей удалось показать, что супрахиазматическое ядро и есть центр управления биологическими часами организма. Для этого они разрушили ядро в мозге мышей микрохирургическим путем. Роберт Мур и Виктор Эйхлер обнаружили, что у животных с нефункционирующим супрахиазматическим ядром пропадает цикличность выброса в кровь гормонов стресса - адреналина и глюкокортикоидов. Другая научная группа под руководством Фредерика Стефана и Ирвина Цукера изучала двигательную активность грызунов с удаленным "циркадным центром". Обычно мелкие грызуны после пробуждения все время находятся в движении.
Оказалось, что разрушение супрахиазматического ядра приводит к исчезновению циркадной двигательной активности животных: периоды сна и бодрствования становятся у них хаотичными. Они перестают спать в течение циркадной ночи, то есть в светлое время суток, и бодрствовать циркадным днем, то есть с наступлением темноты.

Уникальность супрахиазматического ядра еще и в том, что в его клетках работают так называемые часовые гены. Эти гены были впервые обнаружены у плодовой мушки дрозофилы в аналоге головного мозга позвоночных животных - головном ганглии, протоцеребруме. Часовые гены млекопитающих по своей нуклеотидной последовательности оказались очень похожи на гены дрозофилы. Выделяют два семейства часовых генов - периодические (Пер1, 2, 3) и криптохромные (Кри1 и 2). Продукты деятельности этих генов, Пер- и Кри-белки, обладают интересной особенностью. В цитоплазме нейронов они образуют между собой молекулярные комплексы, которые проникают в ядро и подавляют активацию часовых генов и, естественно, выработку соответствующих им белков. В результате концентрация Пер- и Кри-белков в цитоплазме клетки уменьшается, что снова приводит к "разблокированию" и активации генов, которые начинают производить новые порции белков. Так обеспечивается цикличность работы часовых генов. Предполагается, что часовые гены как бы настраивают биохимические процессы, происходящие в клетке, на работу в циркадном режиме, но то, как происходит синхронизация, пока непонятно.

Так что супрахиазматическое ядро можно назвать "дирижером" циркадной активности организма.

Информация о световом дне поступает в супрахиазматическое ядро из светочувствительной оболочки (сетчатки) глаза. Световая информация от фоторецепторов сетчатки, палочек и колбочек по окончаниям ганглионарных клеток передается в супрахиазматическое ядро. Ганглионарные клетки не просто передают информацию в виде нервного импульса, они синтезируют светочувствительный фермент - меланопсин. Поэтому даже в условиях, когда палочки и колбочки не функционируют (например, при врожденной слепоте), эти клетки способны воспринимать световую, но не зрительную информацию и передавать ее в супрахиазматическое ядро.
даже в отсутствие световой информации суточный цикл остается стабильным - изменяется лишь его продолжительность. В случае когда информация о свете в супрахиазматическое ядро не поступает, циркадный период у человека по сравнению с астрономическими сутками удлиняется.
уществует даже такое понятие, как сезонная аффективная болезнь - сезонная депрессия, связанная с уменьшением продолжительности светового дня зимой. Известно, что в северных странах, например в Скандинавии, где несоответствие длительно сти светового дня активному периоду особенно ощутимо, среди населения очень велика частота депрессий и суицидов.
При сезонной депрессии в крови больного повышается уровень основного гормона надпочечников - кортизола, который сильно угнетает иммунную систему. А сниженный иммунитет неминуемо ведет к повышенной восприимчивости к инфекционным болезням. Так что не исключено, что короткий световой день - одна из причин всплеска заболеваемости вирусными инфекциями в зимний период.
Известно, что в клетках сердца, печени, легких, поджелудочной железы, почек, мышечной и соединительной тканей работают часовые гены. Деятельность этих периферических систем подчинена своим собственным суточным ритмам, которые в целом совпадают с цикличностью супрахиазматического ядра, но сдвинуты во времени.
Эпифиз — главный источник мелатонина в организме. У человека до 80 % общесистемного мелатонина вырабатывается именно в эпифизе. Яркий свет блокирует синтез мелатонина, в то время как в темноте циркадный ритм выбросов мелатонина сохраняется благодаря ритмам супрахиазмального ядра.

u Мелатонин вызывает засыпание, а его колебания в ночное время суток приводят к смене фаз сна. Секреция мелатонина подчиняется циркадной ритмике и зависит от освещенности: темнота ее стимулирует, а свет, наоборот, подавляет. Информация о свете у млекопитающих поступает в эпифиз сложным путем: от сетчатки глаза до супрахиазматического ядра (ретино-гипоталамический тракт), затем от супрахиазматического ядра до верхнего шейного узла и от верхнего шейного узла в эпифиз.
У рыб, амфибий, рептилий и птиц освещенность может управлять выработкой мелатонина через эпифиз напрямую, поскольку свет легко проходит через тонкий череп этих животных. Отсюда еще одно название эпифиза - "третий глаз".

ЭПИФИЗ: ТРЕТИЙ ГЛАЗ. ПОЧЕМУ ЭПИФИЗ? ПОЧЕМУ ГЛАЗ?

u Эпифиз обладает удивительной подвижностью. Шишковидная железа. способна вращаться. Почти как глазное яблоко в глазнице.

u - Более того, говорят о прямом сходстве шишковидной железы с глазным яблоком, поскольку в ней также есть линза и рецепторы для восприятия цветов.

u - Эпифиз связан с особыми информационными возможностями человека.

u - Шишковидная железа, как выяснилось, получает импульсы от. зрачка, а возможно, и от глазного яблока. Проще говоря, деятельность эпифиза стимулируют световые сигналы, поступающие из глаз!

u - В эпифизе удается обнаружить хрусталик, стекловидное тело, подобие сетчатки со светочувствительными клетками, остаток сосудистой оболочки и глазной нерв. Кроме того, в третьем глазу имеются железистые клетки, а у высших животных он переродился в настоящую полноценную железу.

u - Расположен в геометрическом центре мозга. Разве это не соответствует расположению великих пирамид в физическом центре планеты?

u - Эпифиз имеет коническую фору = 2 концентрических спиральных лучей из центра пирамиды.

u - деятельность этой железы во многом стимулируется световыми (а возможно, и в других диапазонах) сигналами, поступающими от глаз.

Если ваши внутренние часы сбились, немедленно обратитесь в ремонт! Или хотя бы прочитайте эту статью.

Пожалуй, для многих не является секретом существование такой иерархической модели человеческих потребностей, как пирамида Маслоу.

И хотя она всячески подвергается критике, с одним поспорить сложно: американский психолог наглядно показал, что удовлетворение низших потребностей является необходимым условием для того, чтобы были удовлетворены и высшие. Об одной из таких потребностей и поговорим.

Итак, сон!

Ложусь в постель, как в гроб. И каждое утро — действительно — восстание из мёртвых.
Марина Цветаева

Каждый человек обязательно хоть сколько-то спит — это очевидно. Но все мы делаем это по-разному.

Часовой организм: в каком ритме мы живём?

Одни предпочтут пораньше лечь в тёплую кроватку, чтобы потом встать с первыми лучами солнца, в то время как другие с трудом раскроют глаза лишь в полдень, скоротают время до вечера, а ночью начнут полноценно функционировать.

А сами циклические изменения работы органов, систем и организма в целом называются биоритмами.

Существует три группы биоритмов, которые различаются характерными промежутками времени, за которые и осуществляется один полный цикл.

Самыми любопытными для нас являются циркадианные (циркадные) биоритмы: их ещё называют биологическим часами.

И если вы думаете, что они присущи только людям, то вы ошибаетесь: такие биоритмы имеются у животных, растений, грибов и даже цианобактерий.

Ведь именно они обеспечивают каждому виду максимальную возможность к приспособлению.

Наиболее важную роль в синхронизации циркадианных ритмов играют суточные колебания освещённости, поэтому именно зрительная система активно участвует в их регуляции.

Ответ, как всегда, кроется в мозге.

Обратим внимание на следующие структуры:

Механизм работы циркадных ритмов

На задней стенке сетчатки глаза располагаются ганглиозные клетки, реагирующие на изменения в освещении и содержащие пигмент меланопсин.

При изменении электрической активности этих клеток, от них поступает сигнал в супрахиазматическое ядро гипоталамуса, откуда по волокнам симпатической нервной системы он направляется в эпифиз для регуляции суточного синтеза мелатонина.

Из всего этого следует, что сбой в работе этой системы может быть вызван как внутренними, так и внешними факторами, и следить за этим крайне важно!

Десинхроноз, или нарушение биологических ритмов, не только сопутствует онкологическим заболеваниям, но и вызывает их.

Существует такое аффективное расстройство, как сезонная депрессия.

Не сложно догадаться, что это, верно?

В определённые сезоны (как правило, в осенне-зимний, реже — весенне-летний), человек становится раздражительным, нервозным и необщительным, напоминая медведя в период спячки.

По данным ВОЗ, с такой проблемой сталкивается каждый пятый живущий на планете.

Именно так хотелось бы проводить свои сезонные депрессии

Зимой световой день уменьшается, в связи с чем нейромедиатор серотонин, отвечающий за наше настроение, вырабатывается значительно меньше.

Это связано также с дефицитом витамина D, производимого нашим организмом под солнечным светом, так как он играет не последнюю роль в выработке серотонина.

У мелатонина же, напротив, начинается активная выработка, которая обычно подавляется ярким светом.

Осенью и зимой этого не происходит, поэтому уровень мелатонина становится высоким, вызывая нежелательные усталость и сонливость.

А ещё есть просто светозависимые люди, которые переносят недостаток солнца тяжелее других.

Если с осеннее-зимней депрессией всё понятно, то с весеннее-летней все немного сложнее, ведь, казалось бы, света много и даже больше — так в чём же дело?

Действительно, света становится больше, однако переизбыток серотонина может вызвать такой же эффект, как и его недостаток.

Итак, биоритмы человека — очень важный, но хрупкий механизм, прямо как настоящие часы.

Нарушение их работы может стать причиной для самых разных болезней — от простого снижения иммунитета до сердечно-сосудистых заболеваний и ожирения.

Если у вас возникли вопросы, задайте их здесь

Понравилась статья? Напишите свое мнение в комментариях.
Подпишитесь на наш ФБ:

Нейробиолог Рассел Фостер (Russel Foster) рассказал, что такое циркадные ритмы, почему они сбиваются и как это связано со сном. Лайфхакер публикует перевод его статьи.

Циркадные ритмы — это внутренние биологические ритмы организма с периодом около 24 часов. Они заранее подготавливают организм, настраивая все физиологические процессы в соответствии с ежедневными изменениями в окружающем мире.

Циркадные ритмы есть практически у всех живых организмов на планете, включая бактерии. У человека главный циркадный ритм — это цикл сна и бодрствования.

Клетки-часы

На молекулярном уровне в организме работают циркадные часы, запускающие процессы внутренних колебаний, которые регулируют физиологические процессы в соответствии с внешним 24-часовым циклом.

Есть несколько видов часовых генов, которые отвечают за производство белков. Их взаимодействие создаёт петлю обратной связи, которая вызывает 24-часовые колебания часовых белков. Затем эти белки подают клеткам сигнал о том, какое сейчас время суток и что необходимо сделать. Это и заставляет идти биологические часы.

Таким образом, циркадные ритмы — это не результат совместной работы множества разных клеток, как предполагалось изначально, а свойство каждой отдельной клетки.

Чтобы от циркадных часов была польза, они должны быть синхронизированы с сигналами окружающего мира. Самый очевидный пример расхождения между биологическими часами и внешним миром — джетлаг.

Когда мы попадаем в другой часовой пояс, нам приходится приспосабливать свои биологические часы к местному времени. Фоторецепторы (светочувствительные нейроны сетчатки глаза) улавливают изменения в цикле чередования света и темноты и посылают сигналы циркадным часам подогнать биологические часы организма в соответствии с внешними стимулами. Подгонка суточного ритма обеспечивает правильную работу всех клеточных процессов.

В сложных многоклеточных организмах часто есть главные часы, которые координируют работу всех клеток-часов. У млекопитающих главные часы — это супрахиазматическое ядро (СХЯ), расположенное в головном мозге. От клеток сетчатки глаза СХЯ получает информацию о свете, настраивает находящиеся в нём нейроны, а они уже посылают сигналы, согласовывающие работу всех остальных процессов в организме.

Основные свойства циркадных ритмов

1. Циркадные ритмы сохраняются при постоянных условиях света или темноты при отсутствии других внешних стимулов. Это было обнаружено в результате эксперимента, проведённого в 1729 году французским учёным Жан-Жаком де Мераном. Он поместил растение в тёмное место и заметил, что даже в постоянной темноте листья открываются и закрываются в том же ритме.

Это стало первым свидетельством того, что циркадные ритмы имеют внутреннее происхождение. Они могут колебаться и в зависимости от вида быть немного длиннее или короче 24 часов.

2. Циркадные ритмы не зависят от внешней температуры. Они не замедляются и не ускоряются в значительной степени, даже когда температура резко меняется. Без этого свойства циркадные часы не смогли бы определять время.

3. Циркадные ритмы могут закрепляться за внешними 24-часовыми сутками. При этом основным сигналом является свет, хотя влияние оказывают и другие сигналы.

Значение циркадных ритмов

Наличие биологических часов позволяет организму предугадывать предсказуемые изменения окружающей среды и заранее настраивать поведение, принимая во внимание эти условия. Например, зная, что рассвет наступит через три часа, организм начинает увеличивать скорость обмена веществ, температуру, усиливать кровообращение. Всё это подготавливает нас к активной деятельности в течение дня.

Вечером, когда мы готовимся ко сну, физиологические процессы в организме начинают замедляться. Во время сна мозг активно работает. Он фиксирует воспоминания, обрабатывает информацию, решает проблемы, посылает сигналы о восстановлении повреждённых тканей и регулирует запасы энергии. Некоторые части мозга во время сна более активны, чем во время бодрствования.

Циркадные ритмы и сон

Цикл сна — наиболее очевидный суточный ритм человека и животных, но он зависит не только от циркадных ритмов.

Сон — крайне сложное состояние, возникающее благодаря взаимодействию различных областей головного мозга, гормонов и системы нейромедиаторов. Из-за своей сложности цикл сна очень легко расстроить.

Недавние исследования показали, что нарушение сна и циркадных ритмов характерно как для нейродегенеративных, так и для нейропсихиатрических расстройств, при которых неправильно работают нейромедиаторы. Например, такое нарушение характерно для более 80% пациентов с депрессией и шизофренией.

Но неудобства, возникающие из-за ощущения сонливости в течение дня, — мелочи. Нарушение сна и циркадных ритмов также связано с целым комплексом патологий, включая депрессию, бессонницу, ухудшение внимания и памяти, снижение мотивации, метаболические расстройства, ожирение, проблемы с иммунной системой.

Как настроить свои биологические часы

Учёные долго задавались вопросом, как глаз распознаёт свет для подстраивания циркадных ритмов. Недавно в сетчатке были обнаружены специальные чувствительные к свету клетки — фоточувствительные ганглионарные клетки сетчатки. Эти клетки отличаются от палочек и колбочек, о которых учёным было давно известно.

Зрительные раздражения, воспринятые фоточувствительными ганглионарными клетками, из глаза попадают в мозг по зрительному нерву. Но в 1–2% таких ганглионарных клеток есть зрительный пигмент, чувствительный к синему цвету. Таким образом, фоточувствительные ганглионарные клетки фиксируют рассвет и сумерки и помогают настроить биологические часы организма.

Из-за современного образа жизни мы часто не получаем достаточно света, большую часть времени проводя в помещении. Это может быть причиной того, что наши часы настраиваются неправильно.

Исследования подтвердили, что принимая пищу в одно и то же время и занимаясь спортом по утрам, можно выработать правильный режим сна.

• 2802
• 2,3
• 3
• 1

• 
  Полина Мирошникова

Что такое циркадианный ритм

В 1962 году физиолог-исследователь Ашофф в качестве эксперимента отправил своих сыновей в звуко- и светонепроницаемый бункер, где они жили, ориентируясь только на свои внутренние ритмы, а не на смену светлого дня и темной ночи. Это исследование показало, что внутренние хронометры регулярной изменчивости физиологических функций человека на самом деле настроены на ритм в 25 часов [1]. Но есть и другое мнение. Например, результаты эксперимента под руководством знаменитого спелеолога Мишеля Сифра продемонстрировали, что у участников, заточенных в пещеру на несколько месяцев, наблюдается постепенный переход с ритмов на 36 часов человеку нужно было для бодрствования и 12 — для сна [2].

Иерархия внутренних биологических часов

Итак, как же устроены наши внутренние часы? Последние исследования указывают на то, что внутренние задатчики ритма в нашем организме организованы по законам иерархии: здесь есть самые главные часы и подчиненные часики. Главным центром циркадианных часов является супрахиазматическое ядро в головном мозге — это плотное скопление из примерно 20 тысяч нейронов, и расположено оно как раз рядом с центром, регулирующем продукцию гормонов в организме. Что касается подчиненных часиков, то, как показал анализ экспрессии генов в клетках внутренних органов, гены, отвечающие за суточные ритмы, экспрессируются в каждой клетке организма, включая даже соединительную ткань. Это навело ученых на мысль, что каждый орган имеет свои внутренние часы. Собственную часовую систему внутренних органов назвали периферическими часами, а управляющее ими супрахиазматическое ядро — центральными часами (рис. 1). Свой собственный хронометр есть у печени, у кровеносных сосудов, у сердца, у почек. Но для эффективной работы организма чрезвычайно важно, чтобы все часовые механизмы были настроены на слаженную работу в одном ритме — синхронизированы.

Рисунок 1. Иерархия внутренних биологических часов: главным центром циркадианных часов является супрахиазматическое ядро в головном мозге, задающее ритм работы всем клеткам организма посредством вегетативной нервной системы, специализированных гормонов и различных факторов. Подчиненные часы в клетках внутренних органов называются периферическими.

Главный физиологический синхронизатор всех периферических часов — супрахиазматическое ядро. Благодаря своим связям со светочувствительными клетками сетчатки глаза, нейроны супрахиазматического ядра способны получать информацию о световом периоде снаружи и подстроить к внешним условиям внутренние ритмы организма. Синхронизация периферических часовых систем осуществляется посредством вегетативной нервной системы специальными гормонами и, возможно, другими, пока еще мало изученными путями. Ученые с каждым годом открывают и подробно описывают все больше новых факторов, влияющих на регуляцию внутренних ритмов [5].

Потеря синхронизации и прогрессирование болезни

Как показывают эксперименты, синхронизация всех внутренних ритмов — крайне важное условие для сохранения здоровья и продолжительности жизни. Когда ученые изучают взаимосвязь между сбоем биологических часов и сердечными заболеваниями, то у них возникает очевидный вопрос, что же первично: поломки во внутренних часах вызывают болезни сердца, или сама сердечная патология является причиной нарушения работы наших встроенных хронометров? В попытке ответить на этот вопрос выдвинуто как минимум две противоположные гипотезы.

В пользу гипотезы о том, что потеря синхронизации внутренних ритмов в возникновении болезни первична, был проведен целый ряд интереснейших экспериментов. Исследователь Тами Мартино анализировал продолжительность жизни золотистых хомячков с особой мутацией в гене tau, которая уменьшает период суточного ритма в периферических часах до 22 часов (рис. 2). Иными словами, внутренние часы у этой линии щекастых грызунов очень спешат. Оказалось, что и общая продолжительность жизни хомячков с мутацией уменьшается на 20%, а умирают они в раннем возрасте от серьезных заболеваний миокарда — фиброза и кардиомиопатий [6].

Рисунок 2. Золотистый хомячок с мутацией в гене tau: внутренние часы хомячка спешат на два часа в сутки. Отсутствие синхронизации внутреннего и внешнего ритмов привело к тому, что у грызуна возникли серьезные проблемы со здоровьем — гипертрофия миокарда.

Однако, когда таким хомячкам создали искусственные условия так, чтобы период чередования света и темноты составлял 22 часа, то сердечная патология сменилась на нормальное функционирование сердца. Более того, удаление супрахиазматического ядра — главных часов организма — также имело профилактический эффект: гипертрофия миокарда у золотистых хомячков после операции не развивалась. В чем же причина такого чудесного исцеления?

Полученные результаты свидетельствуют о том, что не столько повреждение периферических часов, сколько утрата синхронизации между центральными и периферическими задатчиками ритма приводит к возникновению сердечно-сосудистой патологии. У мутантных хомячков произошла нестыковка периода периферических часов и периода центральных часов. Когда центральному хронометру через изменения внешних условий (свет/темнота) навязали ритм в 22 часа, то он синхронизировался с периферическими часиками, и сердечная патология не развилась. А когда супрахиазмальное ядро удалили, то периферическим часам снова ничто не мешало свободно реализовывать свой собственный ритм, и сердечко хомяка опять же было спасено.

С другой стороны, и сама болезнь способна нарушить слаженность внутренних биоритмов. Например, во время острого инфаркта миокарда в поврежденных клетках происходит сдвиг фаз циркадианных часов по отношению к здоровым тканям. Эта потеря синхронизации очень опасна и может вызвать угрожающие жизни приступы аритмии.

Восстановление слаженности ритмов клеток сердца с естественными циклами остальных органов и тканей и с циклическими сменами условий окружающей среды может стать многообещающей стратегией в борьбе с сердечно-сосудистыми заболеваниями. Но для реализации этого направления необходимы очень глубокие знания о закономерностях функционирования биоритмов. Интересно, что даже у здоровых людей циркадианный ритм клеток внутренней оболочки вен варьирует в зависимости от их анатомического положения. Необходимы дальнейшие исследования, чтобы как можно точнее идентифицировать все цайтгеберы в организме, и использовать полученные знания для починки наших встроенных хронометров в случае сбоя.

Суточная вариабельность сердечно-сосудистых показателей

Еще один очень важный момент заключается в том, что в течение суток чувствительность сердца к стрессу, эмоциональным и физическим нагрузкам различна. Также меняются во времени и сами показатели сердечно-сосудистой функции: артериальное давление, скорость кровотока, частота сердечных сокращений и другие. Непрерывная запись электрокардиограммы в течение 24 часов у людей в состоянии покоя показывает, что частота сердечных сокращений у человека постоянно варьирует: она достигает минимума на пятом-шестом часу сна и в это время составляет ударов в минуту. Максимума она достигает вечером, примерно в 18 часов, а затем снова постепенно начинает снижаться.

Все эти явления возможны благодаря сложным молекулярным механизмам собственных периферических часов в сердечно-сосудистой системе. Около 10% генов, экспрессирующихся в клетках сердца, имеют суточный ритм экспрессии. В настоящее время проводится активный поиск факторов, влияющих на работу сердца и обладающих суточной ритмичностью. Молекулярные часы уже обнаружены в мышечных клетках сердца, в клетках внутренней выстилки сосудов (в эндотелии) и в мышечных клетках сосудов.

Молекулярные часы в мышечных клетках сердца

При более глубоком изучении оказалось, что Klf 15 — это только первая ступень в сложном молекулярном каскаде, потому что он контролирует другой белок — KСhIP 2 (Kv channel-interacting protein) — фактор, взаимодействующий с калиевыми каналами в мышечных клетках сердца. Изменения концентрации KChIP 2 приводят к электрической нестабильности тканей сердца и, как следствие, к нарушениям сердечного ритма; при этом ген этого фактора имеет суточный ритм экспрессии.

Суточный ритм экспрессии имеют и сами гены калиевых каналов мышечных клеток сердца K_v1.5 и K_v4.2. Интересно, что экспрессия K_v1.5 увеличивается в темное время суток, тогда как матричную РНК белка K_v4.2 в большей концентрации обнаруживают в светлый период. Нарушения ритма в любом звене этой сложной системы могут быть связаны с суточным временем возникновения приступов аритмии.

Синхронизация молекулярных часов мышечных клеток сердца с обменом липидов

Американская исследовательница Молли Брэй исследовала гены циркадианных часов с помощью метода микрочипов ДНК. Ей удалось выявить 548 генов, регулирующих часы в кардиомиоцитах предсердия, и 176 генов, связанных с циркадианным ритмом мышечных клеток желудочка сердца. Среди них были гены, вовлеченные в липогенез, и белки, связывающие липиды; все они демонстрировали суточную экспрессию [8].

Периферические часы в клетках эндотелия

Несколько групп ученых продемонстрировали роль часовых генов в функции эндотелия — ткани, выстилающей внутреннюю поверхность кровеносных сосудов и сердца. Они выяснили, что у мышей с мутацией в часовом гене Per 2 не расслабляются сосуды в ответ на воздействие главного релаксирующего нейромедитора — ацетилхолина. Кроме этого очень неприятного нарушения функции, в крови мышек выявляется очень высокая концентрация веществ, стимулирующих сжатие сосудов, что чревато возникновением артериальной гипертонии [9].

Но на этом проблемы со здоровьем у несчастных мышек не заканчивались. Исследователь Чао Ванг показал, что если в клетках эндотелия есть мутация гена Per 2, то кровеносные сосуды быстро стареют, плохо восстанавливаются после повреждений, а у самих грызунов сильно уменьшается продолжительность жизни [10].

Периферические часы в мышечных клетках сосудов

Клетки гладкой мускулатуры кровеносных сосудов — миоциты — также имеют собственные периферические часы. Такишиге Куньеда исследовал циркадианную систему в миоцитах стареющих сосудов. Он обнаружил, что в этих клетках потеря циркадной ритмичности связана с укорочением теломер. Введение теломераз предотвращало проблемы с экспрессией часовых генов. Эти исследования показывают, что регуляция теломеразами может стать одним из способов терапии нарушений циркадных ритмов, связанных с возрастом [11].

Заключение

Таким образом, изучение биоритмов, особенно с позиции их синхронизации с циклами внутренней и внешней среды, поможет пролить свет не только на причины сердечно-сосудистой патологии, но и на причины старения и низкой продолжительности жизни.

Жизнь современного человека наполнена событиями, которые не подчиняются естественным циклам природы: мы можем работать в ночную смену или регулярно не спать по ночам, засиживаясь за телевизором, компьютером или чтением книг, у нас есть возможность за один день пересечь сразу несколько часовых поясов. Только все ли из нас задумывались, какие серьезные физиологические перестройки происходят в это время в нашем организме? В статье мы рассмотрели несколько примеров работы внутренних молекулярных часов, связанных с функционированием сердца, и увидели, что внутренние и внешние ритмы взаимосвязаны очень тесно, и нарушение временнóй слаженности в одной системе может повлечь за собой сбои в другой. Исследования в этой области продолжаются и, возможно, когда-нибудь ученые откроют волшебное средство, приняв которое, мы мгновенно синхронизируем работу всех внутренних органов, замедлим старение и будем чувствовать себя бодрыми и веселыми независимо от времени суток. Но пока это средство остается в мечтах, мы должны понимать, что сами можем организовать свою жизнь так, чтобы в наших молекулярных часах было как можно меньше сбоев. Соблюдение регулярности в режимах приема пищи, сна и бодрствования, физической активности, полноценный ночной сон, осторожное отношение к перелетам с пересечением часовых поясов — все это может стать той самой волшебной пилюлей, которая починит молекулярные часы в нашем сердце.