Циркадные ритмы что это
Циркадные ритмы (циркадианные ритмы)
Циркадные ритмы – это ритмичное и закономерное колебание функций организма человека в течение суток. Наука, специализирующаяся на анализе и исследовании циркадных ритмов, называется «хронобиология».
Мы все являемся частью живой природы. А физиологическое состояние человека (температура тела, давление, соотношение веществ, выработка гормонов), его активность и самочувствие меняется в зависимости от времени суток.
В норме днём наши интеллектуальные возможности находятся на пике, нас переполняет энергия, происходит выработка кортизола, а вечером появляется сонливость и желание отдохнуть. Также примерно 20% генов в организме человека «включаются» и «выключаются» во время одного полного цикла.
Первооткрывателем циркадным ритмов считают французского астронома Жан-Жака де Меро, который в 18 веке путём эксперимента установил, что днём цветы мимозы развёрнуты к солнцу, а ночью – опущены вниз. На основе данного опыта учёный установил, что ритм этого процесса и у человека задается снаружи, а не внутри.
Как работает циркадный ритм
Главным спусковым элементом биологических часов является супрахиазматическое ядро гипоталамуса (СХЯ). Когда происходит смена света на темноту, зрительные нервы дают ему сигнал на выделение мелатонина – главного гормона сна.
С 12 ночи концентрация мелатонина начинает постепенно увеличиваться при условии, что на зрительный анализатор не попадает ни единый луч света. К 4 утра мы получаем пик синтеза гормона. Когда солнце начинает всходить, он начинает падать.
На мелатонин в нашем организме возложена ответственная роль, он:
— Является одним из главных антиоксидантов;
— Способствует включению механизмов клеточного апоптоза при клеточном мутировании;
— Участвует в нейрорегуляции;
— Моделирует активность репродуктивной системы;
— Ослабляет эмоциональную реактивность.
Главный плюс биологических часов состоит в том, что при нормальной работе циркадных ритмов физиология человека подстраивается под изменения окружающей среды. Утром увеличивается метаболизм, мышечная масса, температура тела, так организм готовится к своей основной активности. А ночью происходит восстановление метаболических путей, поврежденных участков ткани и клеток, создается запас энергии. Циркадные ритмы дают человеку огромное селективное преимущество в борьбе за существование.
Циркадный ритм сна
Помимо вышеперечисленных функций, мелатонин в ночное время активизирует или, наоборот, подавляет работу других гормонов. Например, приостанавливается выработка пролактина, кортизола, гормона роста. Но если зрительный нерв фиксирует хоть малейший проблеск света, то гипоталамус экстренно прекращает выработку мелатонина и все процессы циркадного ритма резко пресекаются. Таким образом, биологические ритмы «включаются» и «выключаются» с помощью света.
Правильнее всего они работают, когда мы ложимся спать до полуночи. Благодаря ночному сну организм человека осуществляет важнейшие процессы:
Спинномозговая жидкость выводит токсичные соединения;
Восстанавливаются миелиновые оболочки, необходимые для передачи сигналов между нейронами;
Возобновляются защитные механизмы.
Нарушения
Игнорирование биологических ритмов нарушает гармонию жизненно важных процессов, что ведёт к таким последствиям:
— Эмоциональная напряженность не ослабляется, что является главным генератором для возникновения стресса.
— Возрастает риск появления нервно-психических расстройств.
— Усиливаются процессы свободно-радикального повреждения.
— Повреждаются клеточные мембраны.
— Снижается уровень лептина в плазме, а уровень глюкозы и инсулина увеличивается.
— Происходят сдвиги в эндокринной системе.
Также исследования на грызунах показали, что нарушение генов циркадных ритмов влияет на раннее проявление «старческих» болезней и недугов, снижает эффективность работы иммунной системы и даже уменьшает продолжительность жизни.
Даже после одного дня сбоя биологических часов мы становимся вялыми, нетрудоспособными, чувствуем постоянную усталость и снижение внимания и концентрации. В результате мы просыпаемся уставшими и не готовыми к серьезной интеллектуальной работе.
Восстановление
Чтобы «завести» внутренние часы заново, важно соблюдать следующие правила:
— Ложитесь спать до 23:00;
— Помещение для сна должно быть проветриваемое, а воздух – увлажнённым;
— Подушка должна быть анатомическая и без натуральных, вызывающих аллергию компонентов;
— Жесткость ортопедического матраса должна быть средней;
— Исключите активность в ночное время суток (работа, прогулки, чтение, просмотр фильмов);
— Чтобы полностью перекрыть световое загрязнение, важно приобрести плотные шторы;
— Ужин должен быть легким и за 3 часа до сна, так как желудочно-кишечный тракт вырабатывает наибольшее количество сока и ферментов именно в первой половине дня. Пренебрежение этим правилом приведёт к затруднению переваривания и риску возникновения запоров, вздутию и тошноте;
— Во второй половине дня выбирайте напитки, не содержащие кофеин.
Если вы соблюдаете все правила, но бессонница все равно мучает вас, то возможно, вам стоит обратиться к специалисту сомнологу или врачу антивозрастной медицины.
Для диагностики качества сна используется метод пульсометрии, а при более серьезных случаях – полисомнографии.
Уменьшение светового дня: как меняются биоритмы человека?
Биоритмы или циркадные ритмы – циклические колебания биологических процессов, которые протекают в организме и связаны со сменой дня и ночи. Это важный механизм приспособления, который помогает адаптироваться в окружающей среде. Но как работают биоритмы человека и как они меняются в зависимости от времени года?
Что нужно знать о циркадных ритмах?
Основная задача биоритмов – помощь в реализации своей генетической программы: поиск пищи в наиболее подходящих условиях, своевременное восстановление сил, подготовка к изменениям погоды и времен года.
Организм человека подчиняется биоритмам, причем некоторые из них короткие по периодичности: дыхание, сердечные сокращения. Существуют и долгосрочные, например, подготовка к спячке, перелет птиц, а у человека — менструальный цикл у женщин и др.
Циркадные ритмы связаны с вращением Земли, сменой дня, и они отвечают за многие аспекты жизни. Например, в некоторые дневные часы отмечается лучшая работоспособность, в другие — легче справляться с физической нагрузкой и она даст лучший результат.
Для примера, самая низкая точка концентрации внимания достигается ранним утром, поэтому так много ДТП в промежуток между 3-5 часами утра, причем это не зависит от уровня бодрости водителей и других показателей. Кстати, умственная работоспособность также практически на нуле, поэтому нет смысла засиживаться за работой или учебной до раннего утра.
Главный дирижер биоритмов
Существует так называемые молекулярные часы, совпадающие с природными сутками, но и есть и главный дирижер, который контролирует все процессы. Если естественный период молекулярных часов не совпадает с природными сутками, то именно супрахиазматическое ядро под влиянием световых сигналов извне дает общие команды и синхронизирует эту работу.
Центральные «часы» – это скопление тысяч нейронов и замкнутая система, на выходе которой получаются электрические импульсы. Полученные сигналы из сетчатки глаза о световом дне усиливают эти импульсы или же, наоборот, ослабевают.
Но у незрячих людей эти часы также работают, но четкого периода дня и ночи не возникает.
Импульсы, которые вырабатывают центральные части (ядро, находящееся в гипоталамусе), отправляет сигнал в другие отделы нервной системы, в том числе, и в спинной мозг. Оттуда этот сигнал передается в периферические органы.
Эпифиз или шишковидная железа под действием этого сигнала вырабатывает гормон – мелатонин, являющийся стабилизатором суточных ритмов, и способствующий сну. Поэтому его назначают как снотворное, а также средство, которое поможет смягчить или избавиться от джетлага – сдвига циркадных ритмов, возникающего при резкой перемене часовых поясов, когда разница составляет более 4-8 часов.
Мелатонин и серотонин
Мелатонин вырабатывается из серотонина в темное время суток. Это продуманная система, ведь когда нужно спать, нервное возбуждение излишне, и не поможет полноценному отдыху. Но если человек постоянно засиживается на свету за полночь, то организм лишается положенного мелатонина. Отсюда и формируются соответствующие проблемы.
Но есть и обратная сторона, если мы большую часть времени проводим в темноте, то гормон счастья вырабатывается в меньших количествах, и это лишает положительных эмоций, снижает активность мозга в целом. Нередко развиваются депрессия и ей подобные состояния. Лучший пример – осенняя хандра, ранее этому состоянию не уделяли внимания, но последние исследования изменили ситуацию.
Относительно недавно в медицинском мире появился термин – сезонная депрессия, обоснованная снижением продолжительности светового дня. Большой интерес к проблеме обоснован тем, что в странах, где длительность светового дня не совпадает с активным периодом человека, среди населения высокая распространенность депрессивных состояний с суицидальными наклонностями.
Уменьшение светового дня и биоритмы
На цикл сна и бодрствования воздействует 2 фактора: солнечный свет и выработка мелатонина. Поэтому, чем выше интенсивность солнечного света, тем активнее ведут себя наши внутренние часы. Человек ощущает себя бодрым, полным сил и готовым на любые свершения.
В пасмурный день многие ощущают сонливость, даже говорят «сонная погода». Но даже через тучи пробивается солнечный свет, и его достаточно, чтобы воздействовать на центры сна и бодрствования.
Мелатонин вырабатывается между 21-22 часами, когда на улице уже темно, и сигнализирует организму о том, что наступает ночь и нужно ложиться спать. Так мозг переключается на ночной режим, замедляется работа организма и обменных процессов. Но, с возрастом, а также при наличии других факторов, выработка мелатонина снижается.
Влияет на этот фактор, во-первых, возраст, поэтому некоторые люди начинают испытывать проблемы со сном. Во-вторых, действуют другие факторы: использование гаджетов в постели, наличие в спальне источников света, которые вмешиваются в эти процессы. В третьих, на эти слаженные процессы влияет и время года, погодные условия, и особенности региона проживания, например, белые ночи и др.
С наступлением зимы у большинства людей биологические ритмы смещаются – вслед за восходом солнца. Активное время для продуктивного дня смещается в первую его половину, а когда наступают сумерки, активность снижается. Появляется сонливость и снижение работоспособности. Однако, этого достаточно, чтобы продолжать заниматься делами.
При уменьшении светового дня и формировании депрессии, в крови увеличивается концентрация кортизола – гормона, который вырабатывается надпочечниками, и способен угнетать работу иммунной системы. А это неминуемо ведет к повышенной восприимчивости к инфекционным и другим заболеваниям. Поэтому существует мнение, что короткий световой день – причина вспышек респираторных инфекций в зимнее время года.
Такие изменения объясняются физиологическими изменениями, хоть и предрасполагают к болезням. Однако контролировать этот процесс можно, да и противостоять ОРВИ и гриппу не так сложно, как кажется: активный образ жизни, витаминотерапия, полноценное питание – факторы, которые помогут поддерживать нормальный режим дня и предотвратить болезни.
Будьте здоровы! Питайтесь полноценно и занимайтесь спортом!
Циркадианные ритмы
Нейробиолог Рассел Фостер о цикле «сон – бодрствование», фоточувствительных ганглионарных клетках сетчатки и нарушении суточного ритма
Циркадианный ритм – это эндогенный биологический ритм с периодом около 24 часов. Самый простой пример – это наш цикл «сон – бодрствование».
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.
Суточные ритмы свойственны почти всем формам жизни, включая одноклеточную жизнь и бактерии. В организме на молекулярном уровне работают циркадианные часы, которые управляют внутренним колебанием, период которого составляет около 24 часов. Это колебание подстраивает внутренний физиологический ритм под внешний 24-часовой цикл. Мы знаем, что заставляет работать внутренние часы: существует несколько важных часовых генов, вырабатывающих часовые белки. Они взаимодействуют между собой, образуя молекулярную петлю обратной связи, которая генерирует в часовых белках колебания с периодом, близким к 24 часам; затем белки сообщают клетке, когда что делать и какое сейчас время дня. Изначально мы думали, что циркадианные ритмы возникают при совместной работе множества разных клеток, образующих единую сеть, но сейчас считается, что это – свойство отдельных клеток.
Чтобы работа циркадианных часов приносила пользу организму, они должны быть подстроены под внешний мир. Самый очевидный пример несоответствия между внутренними часами и внешним миром – джетлаг: когда мы совершаем перелет через несколько часовых поясов, нам нужно подстроить наши внутренние часы под местное время, которое определяется по циклу восхода и заката солнца. Фоторецепторы регистрируют продолжительность фаз света и темноты в цикле и посылают сигналы молекулярному часовому механизму, чтобы подстроить внутренние часы под внешний мир. Люди наиболее чувствительны к суточным изменениям в количестве света и темноты, но некоторые животные, например рептилии, также ориентируются на ежедневные изменения температуры для установления своего биологического ритма. Подстройка под внешний мир, как бы она ни происходила, гарантирует, что в любой час все клетки тела будут совершать нужные процессы в нужное время суток.
В сложных многоклеточных формах жизни часто есть центральные, или «руководящие», часы, которые координируют все остальные. У млекопитающих контрольные часы находятся внутри мозга и называются супрахиазматическое ядро. Оно получает от глаз информацию об уровне света и в соответствии с ней подстраивает работу своих 50 000 нейронов, которые затем посылают множество сигналов, координируя работу остального организма. Чтобы генерировать циркадианный ритм, часовые клетки супрахиазматического ядра используют более 14 различных генов и их белковые продукты.
Основные свойства циркадианных ритмов
Циркадианный ритм – особый тип биологического ритма. Биологический ритм ― это общий термин, описывающий любой ритмический процесс. Некоторые ритмы генерируются внутренними часами, в то время как другие зависят от окружающей среды. Биологический ритм, генерируемый часами, будет оставаться постоянным при постоянном уровне света и температуры. Кроме 24-часовых циркадианных ритмов есть часы, которые идут с периодом в год или 360 дней и называются цирканнуальными ритмами, или «приливные часы», которые были обнаружены у организмов, живущих на берегу моря, ― их биологические часы обладают периодом около 12,8 часов.
Мы знаем о 24-часовых ритмах уже очень давно: еще древние греки говорили о ежедневных изменениях в организме, но они думали, что они обусловлены только изменениями в количестве света и температуре во внешнем мире. Первый научный эксперимент по выявлению циркадианных ритмов был проведен в 1729 году французским ученым и астрономом Жан-Жаком Дорту де Мераном: когда он поставил растение в темное место, он заметил, что в постоянной темноте листья открываются и закрываются с ритмичностью, близкой к 24 часам. Это наблюдение было первым фиксированным указанием на то, что биологические ритмы могут быть заданы изнутри. После этого экспериментов было очень мало, и так продолжалось вплоть до 1950–1960-х годов, когда были открыты реальные свойства циркадианных ритмов.
Первое свойство циркадианного ритма заключается в том, что при постоянных условиях освещенности он остается неизменным. У разных видов период ритма может быть немного длиннее или короче 24 часов: у человека часы немного длиннее, тогда как у мышей немного короче.
Второе ключевое свойство состоит в том, что у этих ритмов есть температурная компенсация. Это означает, что, даже если внешняя температура радикально меняется, 24-часовой ритм не очень сильно ускоряется или замедляется. Это крайне важно, ведь если бы температурной компенсации не было, то циркадианные часы не могли бы точно указывать время.
Третья ключевая особенность – циркадианные ритмы замкнуты на внешний 24-часовой день. Основным сигналом для подстройки ритма является свет, хотя есть и другие сигналы, например, температура.
Некоторые организмы могут настраивать свои часы, опираясь на циркадианное поведение других животных. Например, детеныши мыши устанавливают свои циркадианные ритмы до и после рождения на основании гормональных сигналов своей матери: в матке сигналы поступают в кровь через плаценту, а после рождения – с молоком. Позже, когда аксоны между глазами и супрахиазматическим ядром уже сформированы, мышата могут опираться на уровень света. Происходит ли это у людей так же или нет – мы точно не знаем. Другой пример: малярийные паразиты могут определить время суток по сигналам в крови, и это побуждает их ночью передвигаться к очень близким к коже кровеносным сосудам, где комары подбирают их вместе с кровью. Затем комар кусает другого человека и заражает другую жертву.
Главный плюс наличия часов состоит в том, что они позволяют организму предвидеть предсказуемые изменения в окружающей среде и заранее подстраивать физиологию и поведение под изменяющиеся условия. Например, если вы знаете, что рассвет будет через три часа, вы можете начать увеличивать уровень метаболизма, температуру тела, мышечную силу и ток крови и в целом настраиваться на активность. Все это готовит вас к тому, чтобы, когда наступит утро, вы были активны и могли полностью использовать новую среду. Если бы для этого мы просто ждали утра, мы бы потратили много времени, приспосабливаясь к новой среде, и в течение этого времени не были бы в состоянии полностью использовать «новые» условия.
Таким же образом в конце дня, когда мы начинаем засыпать, физиология тела начинает снижаться и выключаться, готовя мозг и остальную часть тела ко сну. Во время сна мозг очень занят: создает воспоминания, обрабатывает информацию, чтобы найти новые решения сложных проблем, поручает остальной части тела восстанавливать поврежденные ткани, восстанавливать метаболические пути и организовывать запасы энергии. Некоторые части мозга более активны во время сна, чем во время бодрствования, так что, хотя мы и не двигаемся, мозг невероятно активен, выполняя крайне важные действия, необходимые для следующего дня. Способность предсказывать и предвидеть, а не просто реагировать дает организму огромное селективное преимущество в борьбе за существование.
Некоторые животные и растения также используют циркадианные часы для определения сезона: если организм измеряет ежедневные изменения в количестве темноты и света и если продолжительность темноты увеличивается или уменьшается, то он может очень точно определить время года. В Северном полушарии некоторые млекопитающие используют осеннее увеличение длины ночи как сигнал, что нужно готовиться к зимней спячке, а у других животных, таких как олени и овцы, это может побудить к спариванию: осеннее спаривание означает, что детеныш разовьется в течение зимы и родится весной, когда погода обычно хорошая и есть много новых растений в пищу. Есть млекопитающие, которые изменяют толщину и цвет своего меха, чтобы подготовиться к зиме: например, арктические песцы отращивают к зиме более густой и белый мех, который помогает им камуфлироваться и выживать.
У людей тоже есть сезонная биология. У большинства из нас она не очень заметна, но в целом люди в зимние месяцы часто сообщают о переменах в аппетите и об увеличении веса, а некоторые люди в это время становятся более депрессивными. Каким образом эти изменения возникают, пока еще неясно. Вполне вероятно, что в прошлом мы больше зависели от сезонов, чем сейчас. Отчасти это может быть связано с тем, что теперь мы живем в домах и таким образом защищены от внешнего мира и что сезонные ритмы Земли уже не так резко определены.
Как настроить часы
Большой вопрос: как глаз обнаруживает свет, с помощью которого корректирует циркадианные ритмы? Наша команда недавно открыла тот факт, что глаз содержит специальный набор чувствительных к свету клеток, называемых «фоточувствительные ганглионарные клетки сетчатки» (pRGC). Эти клетки сильно отличаются от колбочек и палочек, которые обнаруживают свет и создают изображение. Они формируются из ганглионарных клеток, аксоны которых выходят из глаза, собираются в зрительный нерв и направляются в мозг. Около 1–2% этих клеток обладают светочувствительным фотопигментом синего цвета, называемым OPN4. Фоточувствительные ганглионарные клетки регистрируют рассвет и закат, а затем устанавливают молекулярные часы на правильное время суток.
Еще одним ключевым открытием стало то, что у незрячих людей, а также у тех, у кого из-за генетических заболеваний колбочки и палочки повреждены, могут быть совершенно нормальные и функциональные фоточувствительные ганглионарные клетки. Таким образом, эти люди слепы, но с точки зрения часового механизма они видят. Это имеет важные последствия для врачебной практики, и офтальмологи должны рекомендовать незрячим пациентам с неповрежденными фоточувствительными клетками получать достаточно света, чтобы правильно настраивать циркадианные ритмы. Офтальмологи теперь понимают, что глаз ― это орган, который дает нам и ощущение пространства (зрение), и ощущение времени (суточная регуляция). Это понимание изменило наше определение слепоты и методы лечения глазных заболеваний.
Важно подчеркнуть, что если у вас вообще нет глаз, то вся подстройка с опорой на свет теряется. Раньше некоторые люди утверждали, что у нас есть фоторецепторы в мозге и даже за коленом, но такие утверждения так и не были подтверждены научными исследованиями. Без глаз большинство из нас будут ложиться спать каждый день примерно на 30 минут позже, чем в предыдущий, так как наш внутренний ритм составляет примерно 24 с половиной, а не ровно 24 часа. Бывают трагические ситуации, когда люди рождаются без глаз или теряют их в результате несчастного случая, и в настоящее время ведутся работы по обеспечению «фармакологической замены» света ― это таблетки, которые обманывают молекулярный механизм, заставляя его думать, что он видит свет, и в результате часы подстраиваются на нужное время.
Также есть еще одна проблема, связанная со светом: мы не получаем его в достаточном количестве в нужное время. Большую часть времени мы проводим в помещении, где свет недостаточно ярок, чтобы мы могли по нему подстроить часы. Для пожилых людей это особенно серьезная проблема, независимо от того, где они живут ― в своем доме или в доме престарелых. Однако когда количество получаемого света увеличивается, можно восстановить внутренние циркадианные ритмы и модель «сон ― бодрствование», в результате чего улучшается функционирование мозга. Также было доказано, что приемы пищи в одно и то же время и даже утренняя зарядка помогают людям поддерживать хороший режим сна.
Циркадианные ритмы и сон
В развитых и все в большей степени в развивающихся странах, где общество живет 24/7, нам остро нужно восстановить правильные модели сна. Наш 24-часовой ритм сна – это наиболее очевидный суточный ритм, который наблюдается у людей и многих животных, но сон – это нечто большее, чем просто часть циркадианной системы. Сон – это очень сложное состояние, созданное несколькими областями мозга, нейромедиаторными системами и модуляторами. Из-за этой сложности сон очень уязвим по отношению к расстройствам. Недавняя работа показала, что нарушения сна и циркадианного ритма (SCRD) являются общими для разных нейродегенеративных и нейропсихиатрических заболеваний, при которых нарушены пути нейромедиаторов. Например, SCRD наблюдается более чем у 80% пациентов с депрессией или шизофренией. Чувствовать сонливость в неподходящее время, конечно, неудобно, но это лишь верхушка айсберга. SCRD также ассоциируется с широким спектром взаимосвязанных патологий, таких как плохое внимание и память, снижение скорости умственных и физических реакций, снижение мотивации, депрессия, бессонница, нарушение обмена веществ, ожирение, иммунные нарушения и даже повышенный риск развития рака. Все они часто наблюдаются как при психических, так и при нейродегенеративных заболеваниях.
Некоторые показатели циркадного ритма человека // wikimedia.org
Мы сильно продвинулись в понимании механизмов, которые генерируют и регулируют циркадианные ритмы и сон, а также в понимании широких проблем со здоровьем, связанных с SCRD. Все это предоставляет нам поистине замечательную возможность работать над тем, чтобы общество понимало все значение сна для здоровья человека. Сон поистине наше лучшее лекарство, а работа в неподходящее время может быть катастрофической – в буквальном смысле. Наш уровень внимания достигает своей низшей точки ранним утром: не случайно такие катастрофы, как Чернобыль и авария танкера «Эксон Вальдез», произошли в ночную смену. Даже с учетом усталости и интенсивности движения в 4 часа утра наблюдается непропорционально много аварий – больше, чем в другое время суток.
Даже если мы не сможем помочь всем людям осознать, что нужно со вниманием относиться ко сну и расставлять приоритеты с учетом всей его важности, то понимание механизмов и путей, которые генерируют и регулируют сон, позволит нам разрабатывать новые методы лечения и лекарства, которые были бы основаны на фактических данных и могли бы улучшить здоровье и качество жизни многих людей с разными болезнями во всем обществе. Потенциальный эффект от того, что мы поможем людям решить их проблемы со сном, огромен, и мы можем это сделать. И очень важно изменить то, что на данный момент в большинстве пятилетних программ обучения в области медицины сон и циркадианные ритмы рассматриваются только в одной-двух лекциях.
Это перевод статьи нашего англоязычного издания Serious Science. Прочитать оригинальную версию текста можно по ссылке.
Об авторе:
Russel Foster – PhD, Head of the Nuffield Laboratory of Ophthalmology and the Sleep and Circadian Neuroscience Institute, Chair of Circadian Neuroscience, Nicholas Kurti Senior Fellow, Brasenose College, University of Oxford