Циркадные ритмы что это простыми словами
Все, что нам нужно знать про циркадные ритмы
Сегодня мы попробуем разобраться, как устроены циркадные ритмы нашего организма, правда ли, что наш организм «работает как часы», и заодно выясним – почему ученым было так важно узнать ответы на пять важных вопросов:
1.Что такое «циркадный ритм»?
Слово «циркадный» получилось из двух латинских слов. «Circa» переводится как «круг», а «dies» означает «день». Ученые применяют это слово, когда хотят рассказать о ритмах жизни, связанных со сменой дня и ночи.
2. Откуда взялись циркадные ритмы?
3. Почему важно изучать циркадные ритмы?
«Приспособленность» к 24-часовому ритму выражается в том, что днем и ночью наш организм синтезирует вещества-регуляторы (гормоны и нейромедиаторы) с разной скоростью и в разном объеме. Из-за этого, например, утром мы меньше подвержены некоторым инфекциям, чем вечером.
Если бы мы знали о том, как работают циркадные ритмы, мы могли бы предсказать, как организм будет реагировать на то или иное заболевание в разное время суток. В результате мы смогли бы эффективнее и точнее лечить болезни. Простой пример: зная о том, когда лекарство будет действовать лучше всего, мы могли бы уменьшить дозировку потенциально опасного препарата без потери его эффективности.
4. Как работают циркадные ритмы?
Как всегда, во всем «виноваты» гены. Джеффри Холл и Майкл Росбаш обнаружили у мушек-дрозофил ген, синтезирующий белок PER. Этот белок интересен тем, что накапливается в организме всю ночь, а наутро – разрушается. Оказалось, что у человека эта система работает точно так же, как и у дрозофил.
Накапливаясь в клеточном ядре всю ночь, белок PER блокирует собственный синтез. Затем белок разрушается, и ген снова начинает работу. Весь процесс идеально ложится в 24-й суточный цикл.
Система ген-белок PER «встроена» в каждую клетку нашего организма, и во всех клетках работает одинаково. Именно это молекулярное «устройство» объединяет все клетки нашего организма в единую, подчиненную общему ритму систему.
А что сделал Майкл Янг? Третий лауреат Нобелевки открыл белок, позволяющий белку PER попадать из цитоплазмы (где ген образуется) в ядро клетки (где на
ходится ген, ответственный за синтез белка PER), и таким образом прекращать свой собственный синтез. Кроме того, Майкл Янг обнаружил ген, позволяющий точнее настраивать биологические часы на 24-й цикл.
5. И что теперь?
Ученые подозревают, что в основе многих заболеваний (особенно это касается болезней сердечно-сосудистой системы) лежит десинхронизация – нарушение в работе молекулярной системы, отвечающей за «слаженность» циркадных ритмов. Так как циркадные ритмы регулируют подъем и спад артериального давления, нарушения в работе системы могут приводить к проблемам с сердцем.
Не исключено, что вооруженные знаниями о работе «молекулярных часов» врачи вскоре смогут создать лекарства, позволяющие «починить» сломанные циркадные ритмы. Вполне вероятно, что такие лекарства окажутся менее вредными и более эффективными, чем те препараты, что мы применяем сейчас.
Циркадные ритмы у мужчин и женщин различаются
Оказалось, что женщины спят дольше, но проявляют больше активности в течение дня
Ученые из Университета Пенсильвании проанализировали статьи, изучающие циркадные ритмы у людей, и обнаружили закономерность в гендерных различиях. Шон Андерсон и Гаррет Фитцджеральд опубликовали статью в журнале Science, в которой описали полученные результаты.
Циркадные ритмы широко известны, потому как они оказывают заметное влияние на нашу повседневную жизнь; контролируют время отхождения ко сну и просыпания. Кроме того, циркадные ритмы играют важную роль в обмене веществ. В определенные моменты человек склонен уставать больше, чем в другие, и ускоряется или замедляется в своих действиях.
В рамках новой работы ученые стремились узнать больше о циркадных ритмах, оценивая результаты публикаций о воздействии их на людей. Всего Андерсон и Фитцджеральд изучили исследования, в которых приняли участие более 53 000 человек. При этом они обнаружили, что возраст и пол имеют значительное влияние на биологические ритмы.
Женщины, как правило, более активны в течение дня, что также характерно для детей. Однако ночью они менее энергичны, чем мужчины. Также они проводят больше времени во сне, а фаза глубокого сна более длинная, в сравнении с мужчинами. Кроме того, женщины оказались устойчивы к беспокойству во время сна. С другой стороны, мужчины были более склонны вздремнуть после обеда.
Исследователи не нашли никаких причин для различий в циркадных ритмах между полами, но подозревают, что в отношении женщин обнаруженные отличия связаны с материнской ролью, для которой характерно иметь ритм, совпадающий с потомством. Еще одним объяснением выявленных различий служат особенности воздействия половых гормонов на центральную нервную систему.
Циркадные часы в гематологической системе
Тело среднего взрослого человека содержит приблизительно 4,5 литра крови, что составляет примерно 7% от общей массы тела ( Cameron et al., 1999 ). Плазма составляет 55% цельной крови, в то время как клетки крови составляют оставшиеся 45% ( Waugh and Grant, 2010 ).
Лейкоциты составляют около 1% от общего объема крови и участвуют в иммунном ответе против инфекции и рака ( Alberts et al., 2002 ). Их можно разделить на 5 категорий: лимфоциты, нейтрофилы, моноциты, эозинофилы и базофилы, которые отличаются по численности, структуре и функции. В свою очередь, лимфоциты можно подразделить на естественные клетки-киллеры (NK), В-клетки и Т-клетки. Подобно эритроцитам, количество лейкоцитов в крови демонстрирует 24-часовые колебания (например, Oishi et al., 2006 ). Опять же, этот параметр, по-видимому, находится под контролем тактового гена, так как ритм замедлен и задержан по фазе у мышей-мутантов CLOCK. Поскольку количественно оценить экспрессию генов часов в лейкоцитах относительно легко, а фаза наблюдаемых ритмов часто коррелирует с физиологическими и поведенческими ритмами человека (например, цикл сна / бодрствования), ритмы генов часов лейкоцитов можно использовать в качестве биомаркера. во время диагностики и лечения нарушений сна и циркадного ритма ( Kusanagi et al., 2008 ). Фактически, они предоставляют простые и неинвазивные средства для оценки функции циркадной системы при любом заболевании ( Fukuya et al., 2007). Тем не менее, важно отметить, что ритмы часовых генов в лейкоцитах отнюдь не идентичны ритмам в супрахиазматическом ядре (SCN), «главном» циркадном ритме в мозге ( Teboul et al., 2005 ; Weigl et al., 2013 ). Более того, при определенных обстоятельствах ритмы лейкоцитов и SCN могут стать несвязанными.
Интересно, что существуют суточные ритмы тяжести аллергических состояний, таких как аллергический ринит (например, Smolensky et al., 2007 ); симптомы хронических воспалительных заболеваний, таких как астма, хроническая обструктивная болезнь легких и ревматоидный артрит ( Durrington et al., 2014 ); и реакция организма на инфекцию (Alamili et al., 2014 ). Как основные клеточные эффекторы иммунной системы, лейкоциты, вероятно, ответственны за эти ритмы.
Эозинофилы составляют от 1% до 6% от общей популяции лейкоцитов ( Nigam and Ayyagari, 2007 ) и являются основной защитой организма от внешних паразитов, таких как ленточные черви и анкилостомы ( Alberts et al., 2002 ). Они также модулируют аллергические воспалительные реакции посредством высвобождения цитокинов, хемокинов, факторов роста, липидных медиаторов и основных белков, хранящихся в гранулах, включая основной основной белок (MBP), эозинофильную пероксидазу (EPO), эозинофильный катионный белок (ECP) и эозинофилы протеин Х / эозинофильный производный нейротоксин (EPX / EDN) ( Kariyawasam and Robinson, 2006 ; Hogan et al., 2008 ; Stone et al., 2010). Хорошо известно, что симптомы аллергических состояний, таких как аллергический ринит, наиболее выражены в период с полуночи до раннего утра ( Smolensky et al., 2007 ). Возможно, что эозинофилы вносят вклад в это ежедневное изменение, поскольку культивируемые человеческие эозинофилы демонстрируют циркадные колебания в экспрессии ECP и EPX / EDN ( Baumann et al., 2013 ).
Базофилы являются наименее распространенным типом лейкоцитов, составляя менее 1% от общей численности населения ( Nigam and Ayyagari, 2007 ; Marone et al., 2014 ). Количество циркулирующих базофилов у взрослых изменяется ежедневно ( Osada, 1956 ; Boseila, 1959 ). Вместе с тканевыми тучными клетками базофилы высвобождают химический гистамин ( Alberts et al., 2002 ; Marone et al., 2014 ), который является центральным в аллергических воспалительных реакциях и демонстрирует ежедневные изменения у людей ( Friedman et al., 1989). Они также секретируют антикоагулянтный гепарин, эозинофил- и нейтрофил-привлекающие хемокины (например, IL-8 / CXCL8) и цитокины, которые способствуют дифференцировке Т-хелперов (например, IL-4) ( Stone et al., 2010 ; Marone et al. al., 2014 ).
Тромбоциты представляют собой фрагменты цитоплазмы, полученные из резидентных клеток костного мозга, называемых мегакариоцитами ( Machlus et al., 2014 ). Как и эритроциты, они безядерные, но обладают некоторыми органеллами, такими как митохондрии. По аналогии с эритроцитами, они показывают циркадные характеристики, несмотря на отсутствие ядра. Например, уровни антиоксидантного фермента глутатиона колеблются с 24-часовой периодичностью в человеческих тромбоцитах, культивируемых в условиях постоянного света или постоянной темноты ( Radha et al., 1985 ). Вместе с волокнистым белком фибрином тромбоциты образуют сгустки крови, чтобы ограничить кровопотерю в случае повреждения кровеносных сосудов («гемостаз»). Хотя это является частью здорового процесса заживления, сгустки крови иногда препятствуют потоку крови в кровеносном сосуде («тромбоз»), что может привести к инфаркту миокарда (инфаркту) или ишемическому инсульту. Интересно, что возникновение этих событий демонстрирует ежедневные колебания; они происходят чаще всего утром, между 6.00 и 12.00 часами. Это может отражать 24-часовой ритм в функции тромбоцитов. Циркадную фазу определяли по измерениям температуры тела. Регулярный забор крови выявил сильные циркадные колебания в маркерах агрегации тромбоцитов, адгезии тромбоцитов и лейкоцитов и адгезии тромбоцитов и эндотелиальных клеток. Важно отметить, что каждый из этих ритмов достиг максимума в моменты циркадного времени, соответствующие 8.00–9.00 часам ( Scheer et al., 2011 ). Агрегация тромбоцитов находится под контролем часового гена, поскольку она демонстрирует суточную вариабельность у мышей дикого типа, но не у мышей-мутантов CLOCK ( Ohkura et al., 2009 ). Существуют также доказательства того, что CLOCK регулирует ритмическую экспрессию тромбопоэтина ( ТРО ), который, в свою очередь, регулирует образование тромбоцитов из мегакариоцитов ( Tracey et al., 2012 ). Этот механизм может вносить вклад в ежедневную ритмичность числа циркулирующих тромбоцитов, которая достигает пика ближе к вечеру у здоровых людей.
Генные часы также имеют отношение к В-клеточным раковым заболеваниям, таким как лимфоцитарная лейкемия, лимфома Беркитта и диффузная крупная В-клеточная лимфома (DLBCL) ( Taniguchi et al., 2009 ).Гематологические ритмы также имеют отношение к лечению рака, так как иммуносупрессивные эффекты противоопухолевых препаратов заметно различаются в зависимости от времени введения препарата ( Van Dycke et al., 2015 ).
Гематологическая система выполняет ряд важных функций, включая транспорт кислорода, выполнение иммунного ответа против опухолевых клеток и вторжения патогенных микроорганизмов и гемостаз (свертывание крови). Эти роли выполняют эритроциты (эритроциты), лейкоциты (лейкоциты) и тромбоциты (тромбоциты), соответственно. Важно отметить, что циркадные ритмы проявляются в функции всех трех типов клеток. Поскольку эритроциты безядерны, циркадные ритмы в этих клетках свидетельствуют о существовании нетранскрипционных циркадных часов. С клинической точки зрения ритмы лейкоцитов могут лежать в основе суточных изменений тяжести аллергических реакций, симптомов хронических воспалительных заболеваний, и реакция организма на инфекцию, в то время как ритмические свойства тромбоцитов могут объяснить ежедневные колебания частоты сердечных приступов и инсультов.
Нейромодуляция и циркадные ритмы
Большинство организмов, включая людей, ежедневно демоснтрируют ритмы своей биологической активности, физиологических функций и гомеостатических механизмов, таких как регенерация клеток, производство гормонов, сердечный выброс, кровяное давление, распределение кровотока и температура тела. Физиологическая система, ответственная за эти ритмы, известна как циркадная система.
При исследовании людей в возрасте 50-70 лет оказалось, что высокий уровень кортизола в слюне, по-видимому, был связан с плохими характеристиками функционирования когнитивной сферы в широком диапазоне когнитивных, включая речь, устное обучение, скорость обработки, память и координацию движения глазных яблок.
В целом, циркадная модуляция нескольких нейронных сетей и структур как на микроскопическом, так и на функциональном уровнях может глубоко влиять на когнитивное поведение, реакцию активации и производительность в течение дня. Несмотря на явно потенциальное воздействие, время суток редко рассматривается при исследовании реакций мозга и когнитивных функций. На самом деле, чтобы минимизировать возможные ошибки, связанные с циркадианными эффектами, некоторые нейрофизиологические исследования проводятся с оценками и / или вмешательствами, выполняемыми в одно и то же время суток. Тем не менее, в этих проектах не рассматривается другой важный фактор, который может сильно влиять на достоверность собранных данных, в частности, речьт идет о межиндивидуальной изменчивости биологических часов. Хронотип влияет на организацию физиологических функций, поведения и когнитивных функций в течение дня. Учитывая различия в циркадной ритмичности между хронотипами, конкретные индивидуальные изменения прирешении задачи, вероятно, будут возникать как функция от времени суток. Другими словами, это означает, что запланированная задача может не обязательно синхронизироваться с наиболее оптимальным моментом дня для каждого человека.
При когнитивной реабилитацией важно учитывать выраженные патологические суточные колебания физиологических и когнитивных функций. Другими словами, эти проблемы могут иметь потенциальные последствия для исследований и клинической практики с точки зрения противоречивости результатов, обусловленных различиями в хронотипах пациента и несоответствующими сроками оценки состояния больных или используемых методов лечения.
Подход, основанный на самонаблюдениях пациентов, касающейся личной хронобиологии, рекомендуется в контексте современной передовой когнитивной реабилитации, в частности, когда применяются методы нейромодуляции для достижения оптимальной пластичности нейронов.
Данные из нейрофизиологической и нейропсихологической литературы показывают, что когнитивные способности варьируют в зависимости от циркадных процессов, что может привести к расхождению при достижении оптимальных когнитивных характеристик и временем диагностических оценок или реабилитационных вмешательств, запланированных в течени дня. Таким образом, когнитивные характеристики могут выглядеть улучшенными или ослабленными в зависимости от того, когда они будут измерены.
Нарушения циркадного ритма
Нарушения циркадного ритма — один из вариантов инсомнии, при котором происходит рассогласование между внутренним циклом сон-бодрствование и внешним циклом день-ночь. Состояние развивается при смене часовых поясов (джетлаг), посменном и вахтовом графике работы, неврологических заболеваниях. Расстройства суточных ритмов вызывают психоэмоциональные нарушения, снижают работоспособность, повышают риск эндокринных и кардиологических проблем. Диагностика включает детальный сбор анамнеза, полисомнографию, нейровизуализацию. Для лечения применяются препараты (мелатонин, снотворные средства), немедикаментозная коррекция режима отдыха.
МКБ-10
Общие сведения
Сбои физиологических циркадных ритмов — одна из наиболее распространенных проблем в современной неврологии, с различными проявлениями которой периодически сталкивается каждый человек. Состояние имеет большую актуальность ввиду отсутствия эффективных медикаментозных методов коррекции, выраженного негативного влияния на самочувствие и соматическое здоровье больных. Несмотря на усовершенствование тактики лечения, многие люди продолжают страдать от сомнологических циркадных расстройств.
Причины
Изменения циклов сна могут иметь физиологические предпосылки: в подростковом возрасте обычно наблюдается более позднее засыпание, которое не совпадает с предписанными нормами, а в старческом возрасте, наоборот, люди ложатся спать слишком рано, а затем просыпаются среди ночи и больше не могут уснуть. К патологическим причинам расстройств циркадных биоритмов относят следующие:
Патогенез
Регуляция внутренних циркадных ритмов человека подчинена сложному молекулярному механизму, включающему 9 основных «часовых» генов-регуляторов. Они способствуют выработке транскрипционных факторов, активации казеинкиназ, белков криптохромов, отвечающих за улавливание уровня освещенности. Важную роль играют гены, стимулирующие выработку мелатонина и способствующие реализации эффектов гормона.
В норме все вещества работают сообща, поддерживая циркадный цикл, который регулируется с помощью обратной связи. Но при резком изменении внешних суточных ритмов (часовых поясов), постоянном воздействии освещения в ночное время (работа по сменам, несоблюдение гигиены сна), происходит десинхронизация естественных циркадных ритмов. В головном мозге снижается продукция мелатонина, возникают функциональные патологии ЦНС.
Симптомы
Нарушения циркадных ритмов имеют сходные клинические признаки: бессонница ночью, патологическая сонливость днем, нарушения работоспособности и концентрации внимания, связанные с депривацией сна. Как правило, наблюдаются головные боли, беспричинные перепады настроения, многих больных беспокоят необъяснимая тревожность, нервозность. Иногда бывают нарушения пищеварения, перебои в работе сердца.
Джетлаг (jet lag)
Наиболее ярко симптомокомплекс проявляется при джетлаге (резкой перемене часовых поясов). Нарушения циркадных ритмов беспокоят человека от 2-3 дней до нескольких недель. Чем больше разница во времени между исходной точкой и местом текущего пребывания, тем сильнее выражены признаки. Тяжелее переносятся поездки на восток с переносом засыпания на более раннее время, тогда как к путешествиям на запад организм адаптируется довольно быстро.
Инсомния при посменной работе
В этом случае интенсивность симптомов нарушения биоритмов зависит от количества рабочих смен за месяц, их продолжительности, графика ротации. Самые тяжелые проявления отмечаются при нефиксированной работе с хаотичным чередованием смен и ротации «против часовой стрелки». К тому же часто пациенты сознательно меньше спят, чтобы проводить время с семьей, участвовать в общественной жизни.
Синдром нарушения фаз сна
Такой тип нарушений характеризуется нормальным качеством ночного отдыха в сочетании с несоответствием между физиологическим графиком и желаемым режимом дня. У молодых людей в основном встречается отстроченное наступление фазы сна, из-за чего они ложатся поздно ночью, а потом с трудом просыпаются утром на учебу или работу. Пожилые, наоборот, страдают от опережающей фазы, слишком ранних пробуждений.
Обычно трудностей с засыпанием в «своем ритме» не возникает, что отличает состояние от типичной бессонницы. Основная проблема нарушений фаз сна заключается в необходимости подстраиваться под общепринятый распорядок, вследствие чего больные испытывают постоянную нехватку отдыха, в рабочее время они страдают проблемами с мышлением, памятью, концентрацией внимания.
Осложнения
При длительном нарушении суточных ритмов на 7-10% снижается содержание лептина (гормона сытости), возрастает показатель грелина (гормона голода). Это чревато перееданием, ожирением, к чему более подвержены женщины вследствие особенностей обмена веществ. Хронический недосып снижает иммунную защиту организма, увеличивает риск развития сахарного диабета, сердечно-сосудистых заболеваний.
Еще одна опасность циркадных нарушений в том, что люди с этой проблемой часто не обращаются за медицинской помощью, пытаясь справиться с ситуацией самостоятельно. Пациенты прибегают к алкоголю, снотворным и седативным препаратам для облегчения засыпания, а для повышения работоспособности днем принимают психостимуляторы. В результате патология усугубляется зависимостью от психоактивных веществ.
Диагностика
Главным этапом в постановке диагноза десинхронизации биоритмов является детальный расспрос страдающего инсомнией: сбор жалоб, информации о профессиональной деятельности, частоте путешествий. К обследованию зачастую привлекается несколько врачей — неврологи, психиатры, сомнологи, профильные специалисты по соматическим заболеваниям. В план диагностики включаются:
Лечение нарушений циркадного ритма
Терапия нарушений суточных ритмов представляет собой сложную задачу. Наилучший вариант борьбы с проблемой — устранить провоцирующий фактор, если это возможно (перейти на должность со стандартным рабочим днем, ограничить дальние перелеты). Однако в большинстве случаев больным не подходят радикальные меры, либо триггер невозможно полностью исключить. В такой ситуации используется несколько направлений лечения:
По показаниям могут назначать другие медикаментозные средства (снотворные, психостимуляторы, адаптогены). В каждом конкретном случае подбирается персонализированная схема применения препаратов, чтобы устранить негативную симптоматику и при этом не усугубить циркадные расстройства. Дозировки и график приема лекарств тщательно контролируются неврологом.
Прогноз и профилактика
Циркадные нарушения довольно сложно поддаются лечению, однако при комплексном подходе, комбинации препаратов и немедикаментозных способов удается синхронизировать биоритмы. Менее благоприятный прогноз для пациентов с нейродегенеративными патологиями, которые не подлежат коррекции. Профилактика включает соблюдение гигиены отдыха, правильную организацию трудового процесса, регулярные профосмотры людей, занятых на посменной/вахтовой работе.