Загадки сна - Михаил Полуэктов

Модель двух процессов признается научным сообществом, поскольку позволяет объяснить ряд других изменений сна, наблюдаемых на практике, например при старении и при депрессии. Также эта модель дает объяснение, почему людям с нарушением ночного сна не стоит спать днем – таким образом они уменьшают давление сна и к вечеру приходят с меньшим его значением, что еще больше затрудняет засыпание.

В заключение повторим наиболее важные положения современной нейрохимической теории сна. Во-первых, вхождение в сон, его окончание, а также смена фаз зависят от сложного взаимодействия мозговых центров, которые находятся в составе активирующей, синхронизирующей системы или внутренних часов. Нарастание сонливости в течение дня обеспечивается накоплением аденозина, источником которого являются метаболические процессы в клетках головного мозга. Приуроченность сна и бодрствования к определенному времени определяется взаимодействием двух процессов – гомеостатического и циркадианного – и зависит от того, насколько велика окажется разница между ними – так называемые «ворота сна».

Биологические ритмы обнаружены у всего живого на Земле. Наука, которая занимается изучением этих ритмов, называется хронобиологией. Когда встал вопрос, как назвать эту новую область, то более простое название – биоритмология – оказалось уже занято. В это время (в 1970-е гг.) бытовало околонаучное представление о существовании ритмов, которые включаются с рождением человека и поэтому по ним можно прогнозировать практически всю его жизнь. Согласно этим представлениям, функциональное состояние человека в любой момент предопределено с момента его рождения суперпозицией трех биоритмов – физического, эмоционального и интеллектуального, которые определяют всю его жизнь с периодами в 23, 28 и 33 суток соответственно. Чтобы дистанцироваться от этого представления, новую науку решено было назвать хронобиологией (хронос – время по-гречески), т. е. наукой, занимающейся временны́ми аспектами живой природы.

По сути своей хронобиология является древней наукой – от людей не могло ускользнуть периодическое изменение активности животных и растений, связанное с чередованием светлого и темного времени суток. Это отмечалось еще Аристотелем, и исследования биологических ритмов стали проводиться довольно рано. Сохранилось первое упоминание о таком исследовании, построенном по всем правилам научного поиска. В 1729 г. Жан-Жак д’Орту де Майран направил в Королевскую академию наук Франции письмо, где сообщил о результатах своих опытов над растением, именуемым мимозой стыдливой. Оно было названо так, поскольку имеет обыкновение складывать листья в ответ на прикосновение. Было известно, что растение складывает свои листья и в темноте. Де Майран поместил растение в условия постоянной темноты и наблюдал, что суточная периодичность складывания листьев сохранилась. Несмотря на отсутствие освещения, днем мимоза раскрывала листья, а ночью складывала. Ученый сделал вывод о том, что растение «ощущает» солнце, хотя и не видит его, и предложил академикам заняться этим вопросом.

В дальнейшем ботаники провели много интересных наблюдений биологических ритмов растений. Так, английский ученый Джагадиш Чандра Бозе придумал прибор, который многократно усиливает движения растений, и с помощью этого прибора показал, что в условиях постоянного освещения или его отсутствия период раскрывания листьев растений не точно соответствует 24-часовому периоду вращения Земли, но возобновление чередования света и темноты позволяет растению подстроить собственный ритм под суточный. В 1935 г. немецкий ученый Эрвин Бунинг обнаружил, что суточные ритмы растений передаются по наследству.

Исследователи биологических ритмов животных заметно отставали от ботаников. Впервые изменение температуры тела у людей в течение суток было выявлено английским врачом Вильямом Огле в 1866 г., а в 1905 г. британцы С. Симпсон и Дж. Галбрайт провели исследование температурного ритма обезьян, по результатам которого они предположили наличие в организме животного внутреннего источника этого ритма (внутренних часов). С тех самых пор и по настоящее время температура тела остается одним из самых надежных показателей, измеряя который хронобиологи отслеживают работу биологических часов.

Далее встал вопрос: где же находятся эти внутренние часы? Несомненно, что в головном мозге, но в какой его области? Для того чтобы определить их локализацию, проводились опыты с разрушением различных участков мозга подопытных животных. Американский психобиолог Курт Рихтер в опытах на крысах в 1965 г. смог установить, что источник внутреннего ритма у млекопитающих находится в области гипоталамуса – самой древней части головного мозга. При разрушении этой области крысы теряли периодичность суточной активности: в дневное время они бодрствовали и, наоборот, в ночное – спали (крысы являются ночными животными). В 1972 г. две группы американских исследователей обнаружили точное место расположения внутренних часов в гипоталамусе млекопитающих. Эти скопления нейронов назвали супрахиазменными ядрами (СХЯ), поскольку они располагаются прямо над перекрестом зрительных нервов. Вначале было трудно осознать, что крошечный участок мозга, содержащий 20 000 нейронов (у человека), управляет всем многообразием биологических ритмов организма.

Первый ген, связанный с регуляцией биологических ритмов, обнаружили в 1971 г. Как и следовало ожидать, это открытие было сделано на самом любимом объекте исследования генетиков – дрозофиле. Американские ученые Сеймур Бензер и Рональд Конопка обнаружили, что три разные мутантные мушки – с 28-часовым периодом, 20-часовым периодом и аритмичные, т. е. не имевшие четкого периода вылупления, – имеют повреждения в одном и том же гене, названном PER (от английского слова period – «период»). Гомолог (точное подобие) этого гена у млекопитающих идентифицировали только в 1997 г. К началу 1990-х гг. открыли целое семейство генов, получившее название «часовые гены». Оказалось, что их функцией является обеспечение работы часового механизма в живой клетке. Было высказано предположение, что такой клеточный часовой механизм действует по типу обратной связи в процессе транскрипции-трансляции. Сначала во время транскрипции информация экспрессируется (считывается) в ядре клетки СХЯ с локусов ДНК, в которых расположены часовые гены. Затем транспортные РНК покидают ядро, чтобы на рибосоме транслировать эту информацию в последовательность аминокислот, собирающихся в белок – катализатор клеточных реакций. После этого часовые белки подвергаются ряду биохимических преобразований и проникают из протоплазмы клетки обратно в ядро для того, чтобы остановить дальнейшее считывание информации со своих же часовых генов. Постепенно блокирующие ДНК белки распадаются, и экспрессия часовых генов возобновляется. Весь этот цикл молекулярно-биологических процессов занимает у большинства организмов примерно (но не точно!) 24 часа (в большинстве случаев – 24,5 часа). За полную расшифровку механизма работы внутренних часов живой клетки в 2017 г. американские ученые-генетики Джеффри Холл, Майкл Розбаш и Майкл Янг получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине.