Циркадианный ритм как основа цикла сон/бодрствование

Циркадианный осциллятор. Практически у всех живых существ от простейших до человека состояние и функции систем ритмично изменяются. Эти изменения часто соответствуют суточному ритму, связанному с вращением Земли, хотя существуют и другие периодические колебания, соответствующие приливно-отливному, лунному или годичному циклам. В прошлом было широко распространено мнение, что суточные ритмы человека и животных - пассивная реакция организма на периодические изменения окружающих условий. Однако во многих экспериментах было убедительно продемонстрировано сохранение этой ритмичности даже в отсутствие всех внешних факторов. Период таких свободнотекущих ритмов часто составляет меньше или больше 24 ч, что также свидетельствует о зависимости их не от внешних влияний, а от эндогенных процессов. Природа последних неизвестна; все вместе они получили название «биологических часов». Поскольку эндогенные ритмы лишь приблизительно соответствуют суточному, их называют циркадианными (околосуточными) от латинских слов circa = около и dies = день. Свободнотекущие циркадианные ритмы не затухают в течение длительного времени (несколько недель или месяцев), т.е. обладают свойствами самовозбуждающегося осциллятора. Обычно частота его колебаний синхронизирована с 24-часовым суточным циклом благодаря действию внешних захватывающих сигналов (времязадателей),например чередованию дня и ночи, или социальным факторам [3, 7, 38, 42].

144 ЧАСТЬ II. ДВИГАТЕЛЬНЫЕ И ИНТЕГРАТИВНЫЕ ФУНКЦИИ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ

Циркадианные ритмы у человека. У человека более 100 различных физиологических параметров циклически изменяются с периодом 24 ч [42]. Так, температура тела рано утром минимальна, а вечером достигает максимума, становясь примерно на 1-1,5°С выше. Наиболее выражен суточный цикл сон/бодрствование,поэтому неудивительно, что многие функциональные изменения организма, обычно возникающие при наступлении сна (например, снижение температуры тела, частоты сокращений сердца и дыхания; см. рис. 6.17), считали с ним причинно связанными. Однако во многих экспериментах суточные колебания и перечисленных, и многих других параметров сохраняются даже в условиях лишения сна. Подобные результаты дали основание полагать, что у человека и других высокоорганизованных многоклеточных животных существуют многочисленные циркадианные осцилляторы,несколько различающиеся по частоте. Все они в какой-то степени синхронизированы друг с другом и также «захватываются» внешними сигналами.

Убедительные данные в пользу независимой периодичности вегетативных ритмов получены при наблюдениях над людьми, работающими в разные смены. У них не отмечалось фазовых сдвигов циркадианных колебаний температуры тела и других показателей даже при длительной ночной работе, хотя кривые этих ритмов могли искажаться. Очевидно, социальные взаимоотношения и знание времени суток служат более эффективными времязадателями фазы таких циркадианных осцилляторов, чем ритм работы и связанный с ним цикл сон/бодрствование. В результате возникает «физиологический конфликт», приводящий, в частности, к снижению работоспособности после полуночи, несмотря на неизменные требования к производительности. Поэтому в ночную смену учащаются ошибки работников и несчастные случаи (см. с. 703).

Эксперименты, проведенные в специальных подземных бункерах или пещерах, показали, что у человека циркадианные ритмы сохраняются даже при изоляции от нормальной окружающей среды,хотя при этом их период в большинстве случаев превышает 20 ч (рис. 6.15.А). В подобных опытах обнаружены различия в частоте и относительная независимость отдельных осцилляторов. Так, на рис. 6Л5,А видно, что пики температуры тела (треугольники вершиной вверх) при «захваченном» внешними сигналами (естественном) цикле наблюдаются непосредственно перед сном; в первые двое суток свободнотекущего циркадианного ритма такое фазовое соотношение двух осцилляторов сохраняется, а затем становится явно иным. По всей вероятности, циклы температуры и сон/бодрствование нежестко сопряжены друг с другом, и их фазовый сдвиг зависит от преобладающих факторов, в частности от периодичности системы в целом. В крайних случаях, когда период свободнотекущего ритма сон/бодрствование необычно удлиняется (иногда наблюдались его 48-часовые, т.е. бицирка-

 

Рис. 6.15. Циркадианные ритмы у человека. А. Ритм бодрствования (красные отрезки) и сна (черные отрезки) у человека в изоляционной камере при открытой двери (действуют социальные времязадатели) и в полной изоляции (без времязадателей). Треугольники соответствуют времени максимальной температуры тела. При открытой двери период ритмов составлял ровно 24 ч (со средними суточными отклонениями 0,7 или 0,5 ч); при закрытой двери он увеличился до 26,1 + + 0,3 ч. Б. Ритм активности у испытуемого, изолированного в бункере; на 15-е сутки температурный ритм (максимумы красные треугольники вершиной вверх; минимумы - черные треугольники вершиной вниз) и цикл сон/бодрствование разобщились; период температурного ритма остался равным 25,1 ч, а цикла сон/бодрствование по непонятным причинам внезапно увеличился до 33,4 ч (данные проф. J. Aschoff et al.)

дианные ритмы) [38, 42], колебания вегетативных параметров становятся от него полностью независимыми, сохраняя свой собственный период около 25 ч (так называемая внутренняя десинхронизация). Иными словами, «температурные часы» явно менее гибкие; они не могут подстраиваться к новым «часам активности» и теряют связь с циклом сон/бодрствование.

ГЛАВА 6. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ФУНКЦИИ ЦЕНТРАЛЬНОЙ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ 145

При однократном смещении ритма внешнего времязадателя (например, при укорочении его периода в результате перелета на восток или его удлинении при перелете на запад) для восстановления нормального фазового сопряжения между циркадианными системами и времязадателем требуется около суток на часовой пояс (т.е. на сдвиг в 1 ч). «Перезахватывание» происходит быстрее при перелете на запад; иными словами, внутренний ритм легче ресинхронизируется при фазовой задержке, чем при фазовом опережении. Кроме того, время «перезахватывания» разных систем неодинаково. Социальная активность человека и его профессиональная деятельность адаптируются к новым времязадателям быстрее, а температура тела и другие вегетативные функции-медленнее. С подобным разобщением, по всей вероятности, связано временное нарушение общей работоспособности после перелетов на большие расстояния.

Отношение периодов активности и покоя в пределах циркадианного цикла непостоянно. Интересно, что при удлинении активной фазы последующая фаза покоя укорачивается, т.е. средняя продолжительность цикла остается практически неизменной (см. рис. 6.15). Следовательно, циркадианный ритм-первичный процесс,которому подчинен цикл сон/бодрствование. Это противоречит так называемой «гипотезе утомления», согласно которой сон представляет собой восстановительный период [14].

Биологическое значение циркадианных ритмов у

человека и животных до последнего времени недооценивалось. Врачам, например, следовало бы в большей степени учитывать суточные колебания почти всех физиологических параметров при постановке диагноза и назначении лечения. Очевидно, эти ритмы врожденные и представляют собой филогенетическую адаптацию к временн о й структуре окружающего мира. Благодаря такой внутренней копии цикличности внешних событий организм способен заранее приспосабливаться к ожидаемому изменению условий существования. Такие опережающие реакции дают целый ряд преимуществ - от простого выполнения определенных действий в подходящее время суток до возможности отсчитывать время при помощи «внутренних часов» (это используется, например, некоторыми животными, ориентирующимися по солнцу). Таким образом, цикл сон/бодрствование следует рассматривать не как причину, а как одно из проявлений эндогенной циркадианной периодичности. Понимание природы эндогенных осцилляторов, к которому мы только начинаем приближаться [3, 7, 33, 38, 42], позволит объяснить и механизмы, лежащие в основе этого цикла.

Ритмоводители, отвечающие за циркадианные колебания, находятся в ЦНС. В настоящее время двумя основными зонами локализации этих осцилляторов считают супрахиазмальпое ядро (СХЯ) вентрального гипоталамуса и одну из областей веитромедиальиого ядра гипоталамуса (ВМГ). По-видимому, СХЯ контролирует в основном

ритм активности (цикл сон/бодрствование), а ВМГ-температурный и пищевой циклы (включая колебания уровней глюкозы и кортикостероидов в крови). СХЯ получает многочисленные сигналы от зрительной системы и синхронизировано с ВМГ тесными взаимными связями ([3, 5, 33]; см. также с. 369).