Загадки сна - Михаил Полуэктов

Большой стимул к развитию хронобиология получила в 1950–1960-х гг., когда началась «космическая гонка». Две сверхдержавы – СССР и США – соревновались в том, какая из них первой выведет на орбиту Земли человека. Однако оставалось неясным, насколько губительным окажется исчезновение суточного чередования освещенности для живого организма. В связи с этим исследования в области хронобиологии получили значительную поддержку. В 1960-х гг. была проведена серия классических «бункерных» экспериментов. Более 200 добровольцев в течение различных периодов времени жили в переоборудованном военном бункере в условиях изоляции от внешней среды. Они не имели информации о времени и уровне освещенности, сами определяли, когда им ложиться спать, бодрствовать и принимать пищу. При этом у них регулярно проводились измерения температуры тела, секреции гормонов, состава биологических жидкостей. На фоне изоляции от внешних источников времени собственные биологические ритмы испытуемых стали явными и проявили свои истинные, заложенные в генах, характеристики. Немецкие исследователи Юрген Ашофф и Рютгер Вивер, проводившие эксперимент, обобщили результаты исследований в первой монографии по биологическим ритмам человека. В результате этой работы было показано, что и у человека период внутренних часов не равен 24-часовому периоду вращения Земли. После того как связь испытуемых с внешним миром прекращалась, у большинства из них суточный ритм начинал «плыть», смещаясь во все более и более позднем направлении. Каждый следующий день испытуемые ложились спать на несколько минут или даже часов позднее. Это обусловливалось тем, что у большинства из них период внутренних часов составлял более 24 часов и к окончанию астрономических суток их «личные» сутки не заканчивались. Такие же отличия были получены не только для сна, но и для других ритмов, таких как ритм изменения температуры или выделения мочи. Так впервые удалось определить границы периода внутренних часов человека. У большинства испытуемых он превышал время астрономических суток и приближался к 25 часам, однако были обнаружены люди с меньшим, чем 24 часа, внутренним периодом. В условиях изоляции они, наоборот, ложились спать все раньше и раньше, соответственно, для них эксперимент в итоге продолжался дольше.

Параллельно с этим хорошо организованным научным исследованием некоторые энтузиасты проводили эксперименты на себе – на свой страх и риск. Французский спелеолог Мишель Сифр в 1962 г. спустился в пещеру Скарассон в Альпах и жил там два месяца в условиях изоляции от внешнего мира. По условиям эксперимента Сифр сообщал на поверхность каждый раз, когда просыпался и ложился спать и каково, по его мнению, в этот момент было астрономическое время. Кроме того, два раза в «сутки» он считал до 120 за две субъективные минуты. Периоды бодрствования и сна Мишеля Сифра в среднем составили 24,5 часа, поэтому окончание эксперимента для него наступило быстрее, чем он представлял. Через 10 лет Мишель Сифр вновь спустился под землю и прожил там в собственном ритме еще шесть месяцев. Вновь его внутренние сутки оказались длиннее астрономических – исследование закончилось на 180-й день, в то время как он считал, что идет только 151-й.

Позднее результаты бункерных исследований подвергли сомнению, поскольку в них испытуемые могли пользоваться светом, влияющим на биоритмы, – об этом во время проведения экспериментов ученые еще не знали. В последовавших исследованиях использовался более изощренный протокол «принудительной десинхронизации», когда испытуемых, находящихся в условиях слабого освещения, «запутывали», давая неверную информацию об астрономическом времени. При этом вновь были определены параметры внутренних часов – у большинства людей они все равно составили более 24 часов, в среднем 24 часа 15 мин. Результаты экспериментов с изоляцией показали, что без внешней информации об астрономическом времени человек может успешно жить и работать. При этом его биологические ритмы становятся «свободно выбранными», соответствующими суточной активности внутренних часов.

В других экспериментах ученые определяли, какие именно воздействия дают возможность внутренним часам синхронизировать свою работу с астрономическим временем. Оказалось, что главным сигналом, обеспечивающим такую синхронизацию, является свет. Совсем небольшого его количества оказывается достаточно, чтобы внутренние часы подстроили свою деятельность под внешнее время. Каким же образом эти часы получают информацию об уровне освещенности?

Для этого в глазу имеются специальные фоторецепторы, содержащие пигмент меланопсин. Обнаружены они были сравнительно недавно, в 1991 г., британским нейробиологом Расселом Фостером. До этого считалось, что в сетчатке глаза имеются только так называемые палочки и колбочки, обеспечивающие процессы зрения. Палочками называют цилиндрические отростки клеток сетчатки, в которых содержится пигмент родопсин, они отвечают за ночное и периферийное зрение. Колбочками называют отростки клеток сетчатки конической формы, в которых содержится пигмент йодопсин, отвечающий за цветное зрение. В ночное время, когда поток фотонов недостаточен для нормальной работы колбочек, зрение обеспечивают только палочки, поэтому в темноте человек не может различать цвета («ночью все кошки серы»).

Обнаруженные учеными новые клетки – ганглиозные – содержат пигмент меланопсин и реагируют на световое воздействие: они наиболее чувствительны к свету синего спектра с длиной волны 470 нанометров. Свет возбуждает ганглиозную клетку, затем электрический импульс по тонкому нервному стволу – ретиногипоталамическому тракту – передается в супрахиазменные ядра гипоталамуса (они удачно расположены совсем рядом со зрительным нервом). В супрахиазменных ядрах имеется отдельная группа нейронов, которые воспринимают это раздражение и передают его на другой тип нейронов СХЯ, генерирующих постоянный ритм. При этом происходит подавление транскрипции (считывание) часовых генов в ядрах этих нейронов, и период их активности корректируется в соответствии с информацией об уровне освещенности.

Как же быть людям, которые длительное время находятся в условиях постоянного освещения или отсутствия света, например работающим только в ночную смену или живущим за Полярным кругом? Оказывается, что кроме световой информации и другие воздействия могут влиять на работу внутренних часов: это выделение в кровь гормона шишковидной железы мелатонина, а также социальное взаимодействие, режим питания, внутренняя температура и физическая нагрузка.

Гормон мелатонин является уникальным веществом, исключительно тесно связанным с биологическими ритмами. Его выработка приурочена к темному времени суток: концентрация мелатонина в крови начинает возрастать вечером, около 20 часов, достигает максимального значения в 2 часа ночи, а затем снижается. Утром, когда первые лучи солнца попадают на сетчатку глаза, секреция мелатонина почти полностью подавляется. Секреция мелатонина очень чувствительна к уровню освещения. Было показано, что ничтожный световой поток в 12 люкс способен уменьшать его выработку. Высокоинтенсивное освещение потоком света в 1500 люкс приводит к прекращению выработки мелатонина в течение 15 минут. При этом важную роль играет длина световой волны. В наибольшей степени секреция мелатонина подавляется светом синего спектра, поскольку именно к нему чувствительны меланопсинсодержащие клетки сетчатки. В связи с широким распространением телевизоров с большими экранами и всевозможных гаджетов с голубой подсветкой вопрос подавления секреции мелатонина при вечернем времяпровождении приобретает все большее медицинское звучание. Так, было показано, что использование планшетного компьютера в течение двух часов приводит к уменьшению вечерней секреции мелатонина на 20 %.