Глава 3: Циркадний ритм

Вступ

Чому ви лежите не спати, дивишся в стелю? Це 10:00 ранку, і ви не спали всю ніч, щоб вчитися на іспит, приїхав до раннього ранкового класу, думаючи ні про що інше, як швидко ви могли б повернутися до свого ліжка, завершив іспит, незважаючи на випадкові голову боб, а потім кинувся додому, щоб нарешті стрибати в ліжко (рис. 3.1). Тим не менш, там ви, не тільки маючи спогади зі сторінок іспиту, але і критикуючи себе за щось дурне ви сказали, щоб ваш розчавити, як ви залишали клас. Іншими словами.. ти широко прокинувся! Ви можете подякувати свій циркадний ритм.

Циркадний ритм і тиск сну не завжди погоджуються

Є клітини мозку, які змушують ваше тіло пройти цикл активності, який становить приблизно двадцять чотири години тривалості. Цикл - це ваш циркадний ритм, і ці клітини мозку схожі на годинник всередині вашого тіла. Практично кожна істота на землі має подібний цикл, навіть рослини і комахи проявляють ці ритми.

Нобелівську премію 2017 року присудили дослідникам, які з'ясували, як гени у плодових мушок створюють ритм активності клітин, який становить приблизно двадцять чотири години. Вони також пояснили, як подібні механізми використовуються в клітині людини для створення нашого біологічного годинника. Внутрішній годинник забезпечує добовий час сну, температуру тіла, артеріальний тиск, розумову ясність, дефекацію, гормони, спортивні показники та інше (рис. 3.2). І хоча світло і темрява суттєво впливають на цей циркадний ритм, цикл зберігатиметься, навіть якщо істота перебуває в повній темряві протягом дня.1

У вашому тілі є інший процес, який контролює, сонні ви чи ні: тиск сну, потяг до сну залежно від того, як довго ви не спите. Ваш мозок розщеплює аденозинтрифосфат (АТФ) для отримання енергії (рис. 3.3). Ця реакція викликає накопичення аденозину. Щогодини, коли ви не спите, аденозин накопичується, зв'язується з аденозиновими рецепторами та активує області мозку, що сприяють сну, в той же час аденозин інгібує області мозку, що сприяють попередженню. Через ці шляхи аденозин чинить «тиск» на мозок, щоб він лягав спати. Під час сну аденозин розщеплюється, переробляється та видаляється з мозку, тому тиск сну падає до найнижчої точки протягом останньої хвилини сну. Потім з кожним моментом неспання тиск сну продовжує наростати, і цикл триває.

Як ви, ймовірно, здогадалися з нашого сценарію на всю ніч, який залишив вас широко спати о 10:00 ранку, циркадний ритм і тиск сну мають взаємодію. Залишаючись всю ніч, тиск сну постійно наростає, поки нам не доведеться від душі боротися, щоб не спати. Але циркадний ритм змушує мозок і тіло бути настороженими в полуранкові години, навіть якщо ми позбавлені сну. Ви, ймовірно, також відчували цю циркадну ритміку в день, коли після ідеально міцного нічного сну ви відчуваєте себе досить сонливими близько 14:00 Це внутрішній годинник вашого циркадного ритму, що дає вам здоровий сигнал тіла, що це час дрімоти (рис. 3.4).

Скільки годин в день?

У 1938 році два піонери науки про сон були настільки заінтриговані циклом сну і неспання, що вони провели місяць 140 футів (понад 42 метри) під землею в печері Мамонт в Кентуккі. Зовнішнього світла не було, а температура залишалася на рівні 54 градуси за Фаренгейтом (12 градусів Цельсія) в ані (гавайська означає «печера»).

Одним з їхніх основних інтересів було те, що ми зараз називаємо циркадним періодом - часом, необхідним для завершення одного циклу циркадного ритму. Іншими словами, подалі від впливу світла та інших сигналів, які говорять нам, коли починається і закінчується день, скільки часу потрібно організму, щоб пройти цикл своїх природних біологічних ритмів, перш ніж почати спочатку на наступний «день». Ці дослідники Чиказького університету, професор Натаніель Клейтман і його студент Брюс Річардсон, зафіксували, серед іншого, коливання температури тіла, сподіваючись отримати уявлення про внутрішній зв'язок організму до цілодобового дня (рис. 3.6). «Внутрішній» в цьому випадку стосується чогось, що керувало б циркадним циклом без будь-яких зовнішніх сигналів, таких як денне світло. Виходячи з циклів сну і неспання і коливань температури тіла, вони виявили, що їх біологічні ритми насправді були довшими - на один-чотири години - ніж двадцять чотири години. Тепер ми знаємо, що вони були на шляху з цим висновком, оскільки, враховуючи налаштування, на яке не впливають зовнішні сигнали, такі як світло, циркадний період людини становить близько двадцяти чотирьох годин п'ятнадцяти хвилин. Це означає, що залишені власними пристроями, щоночі ми засинали через п'ятнадцять хвилин. Після всього восьми днів цього, замість того, щоб засипати опівночі і виникати о 8:00 ранку, ці часи зміщуватимуться на 2:00 ранку та 10:00 Час зсуву продовжуватиметься так назавжди. Врешті-решт, ви засинаєте пізно вдень і пробуджуєтесь за кілька годин до сходу сонця. Ми звернемо увагу на сонячне світло, щоб пояснити, чому ми врятовані від цієї щоденної зміни в нашому графіку.

Сонячне світло, жайворонки та сови

На щастя, сонячне світло має сильний вплив на наш циркадний ритм. Вплив світла вранці синхронізує його з сонячним циклом нашої планети, тим самим обрізаючи ці п'ятнадцять хвилин від нашого циркадного періоду. Навіть штучне світло, соціальна активність, шум, температура і їжа впливають на наш внутрішній годинник (рис. 3.7). Ці сигнали називаються zeitgebers, від німецького для «дарувальників часу». Частина успіху роботи Клейтмана і Річардсона в печері була пов'язана з їх знаходженням далеко від великих zeitgebers, щоб вони могли випробувати те, що буде робити внутрішній годинник за відсутності більшості зовнішніх впливів. Ізольованість від zeitgebers ставить людину в «вільний від часу» середовище. Вони не знають ні часу дня, ні ночі, ні навіть скільки днів пройшло.

За десятиліття після Клейтмана і Річардсона дослідження циркадного ритму часто підкреслювали важливість налаштувань без часу, щоб обґрунтувати теорію внутрішнього годинника, що працює самостійно. У деяких протоколах учасники чоловічої статі спрямовані голити обличчя через різні проміжки часу, тому їх «п'ятигодинна тінь» не дасть жодних підказок про час доби або кількість днів, що минають. За відсутності цих типів zeitgebers численні дослідження перевірили, що наш тактовий сигнал генерується всередині нас (ендогенний), але де саме знаходиться його центр управління?

Дослідження на тварині продемонстрували, що супрахіазматичне ядро (SCN), крихітна структура в мозку, є необхідним і достатнім для створення циркадного ритму (див. Главу 2). Вчені видалили SCN у тварин, які раніше демонстрували здорові циркадні ритми, і їх ритмічність зникла, припускаючи, що СКН необхідний для генерації циркадного ритму. Інша процедура передбачала пересадку СКН від однієї тварини до іншої. SCN від тварин з тривалими циркадними періодами (більше двадцяти чотирьох годин) пересаджували тваринам з короткими циркадними періодами (менше двадцяти чотирьох годин), і навпаки. Отже, циркадні ритми тварин зміщуються, щоб бути узгодженими з їх новим SCN, маючи на увазі, що SCN є достатнім для генерації циркадного ритму. Але СКН - це лише одна структура по шляху сигналів, яка тримає організм на приблизно цілодобовому ритмі.

У темний час доби сигнал від паравентрикулярного ядра гіпоталамуса (ПВГ) активує контурний шлях до мелатонін-вивільняють клітинам шишкоподібної залози (рис. 3.8 і 3.9). Сигнал рухається від PVH, вниз у верхню грудну область спинного мозку, через верхній шийний ганглій (трохи кульки нейронів на шиї) і, нарешті, до шишкоподібної залози, змушуючи його вивільняти мелатонін, який є циркадним ритмом - встановлююча молекула, яка говорить вашому мозку, що настав час спати. Потім, коли світло світить на очі, електричний сигнал рухається вздовж зорового нерва до SCN - нашого внутрішнього годинника - який також є частиною гіпоталамуса. У присутності світла, особливо сонячного світла та синього світла, SCN посилає сигнал PVH і гальмує шлях вироблення мелатоніну. Це дозволяє нашому мозку знати, що пора не спати. Ми добові (активні вдень), тому цей шлях тримає нас напоготові в денний час. У нічної (активної вночі) тварини шлях вивільнення/гальмування мелатоніну подібний до нашого, за винятком протилежного в одному відношенні: реакція на світло полягає в тому, щоб викликати сон, а реакція на темряву - викликати пильність та активність.

Оскільки цей шлях порушення секреції мелатоніну починається зі світла, що сяє на око, може бути дивно виявити, що деякі сліпі люди мають свій циркадний ритм захоплюється сонячним світлом. Це тому, що не всі клітини сітківки, шар тканини, що вистилає внутрішню частину задньої частини ока, передають зорові сигнали: деякі гангліозні клітини несуть світлосигнальну інформацію з інших клітин сітківки в мозок для обробки зорових зображень. Але інший тип гангліозних клітин сітківки містить меланопсин, світлочутливий пігмент, і крім того, що реагують на світло самі, ці клітини несуть світлову інформацію до SCN для захоплення циркадного ритму світла.

Іншими словами, існують різні типи гангліозних клітин сітківки, які виконують різні функції. Якщо сліпота людини була викликана чимось, що залишило функціонувати гангліозні клітини, що містять меланопсин, вони зможуть підтримувати свій циркадний ритм синхронно з сонцем. Однак для цих людей важливо носити темні сонцезахисні окуляри при денному світлі, оскільки вони не матимуть звуження зіниць (скорочення зіниці), що захищало б їх сітківку від пошкоджуючих променів сонця. Для деяких сліпих людей їх гангліозні клітини, що містять меланопсин, не функціонують, тому сонячне світло не регулює їх циркадний ритм і, таким чином, вони більше борються з підтримкою цілодобового циркадного ритму. Управління з контролю за продуктами та ліками США та Європейське агентство з лікарських засобів схвалили препарат, який активує рецептори мелатоніну в якості лікування, і деякі дослідження також показують, що добавки мелатоніну, коли дозування та терміни є відповідними, покращують циркадну ритмічність у сліпих людей.

У деяких куточках світу з короткими періодами денного світла взимку порушення циркадного ритму, зрозуміло, частіше зустрічаються і часто пов'язані з поганою якістю сну (рис. 3.10). Ускладнює ситуацію сезонний афективний розлад (САД), тип депресії, який найчастіше починається, коли погода стає похмурішою (блокуючи сонце) та/або денні періоди стають коротшими. Існують взаємодії між циркадним ритмом та шляхами, які передбачають вивільнення таких молекул, як щитовидна залоза та серотонін, які впливають на настрій. Асоціація депресії з поганим сном ще більше посилює виклик САД. У цих регіонах з темними днями корисно включити різні форми світлотерапії, включаючи роботу перед світловими коробами та встановлення освітлювальних приміщень у класі, що імітують яскравий весняний день опівдні (рис. 3.11).

Незалежно від того, де вони живуть, деякі люди вважають, що їх циркадний ритм природно зміщений, тому вони засинають раннім вечором і прокидаються перед світанком. Цих людей іноді називають жайворонками («ранковими людьми»), тоді як їх колеги, нічні сови («нічні люди»), засинають після півночі і прокидаються набагато пізніше вранці, можливо, пізно до полудня (рис. 3.12). Це два різних хронотипу (слово, яке походить від khronos, грецьке слово для часу). Хоча іноді ці візерунки перед сном пов'язані з віком, такі як літній жайворонок або підліткова нічна сова, хронотип також є генною схемою часу, коли людина, природно, відчуває себе сонним. Генетично обумовлений хронотип зазвичай зберігається незалежно від віку.

Близько 40 відсотків людей - жайворонки, близько 30 відсотків - нічні сови, а решта 30 відсотків падають посередині. Ця генетична варіація в межах нашого виду досить незручна в нашому сучасному світі, який діє в основному близько дев'яти до п'яти робочих днів. Особливо важко нічним совам, яким доводиться починати займатися своїм мозком за кілька годин до того, як вони будуть метаболічно готові щоранку. Прикро, що наше суспільство не вміщує різні хронотипи, особливо враховуючи наслідки для здоров'я (почастішання серцевих захворювань, діабет, порушення мозку) та нещасні випадки, пов'язані з порушенням природного циркадного ритму людини. Враховуючи все це, ви можете замислитися, чому існують різні хронотипи. Проте, дивлячись на наших племінних предків, ці різні хронотипи мають ідеальний еволюційний сенс. Якщо настав час для членів племені спати, більш безпечним результатом з точки зору уникнення нападу під час сну буде те, щоб кілька членів прокинулися пізно вночі і кілька попередження та функціонування до світанку. Таким чином жайворонки і сови були шанованими вартовими (рис. 3.13). Це не дуже втіха для нічних сов, яким доводиться спіймати автобус о 6:30 ранку, щоб дістатися до класу 8:00 ранку, але є стратегії подолання. Глава 6 містить обговорення цих розладів циркадного ритму, які називаються фазою розвинення сну та неспання (у жайворонків) та затримкою фази сну та неспання (у нічних сов). Поради щодо роботи з кожним із цих розладів наведені в розділі 1, який також включає деталі про помаранчевий проти синього світла (наприклад, з екрану комп'ютера) та їх вплив на циркадний ритм.

Вихід з рейок циркадного ритму

Для тих, хто не є ні жайворонками, ні нічними совами, все ще існує безліч проблем для підтримки циркадного ритму. А відхилення від земного ритму обертання і природного світлового дня обходиться великою ціною. Навіть один раз на рік зрушення годинника вперед може бути смертельним, як це видно в США зі значним збільшенням смертності від серцевих нападів та нещасних випадків у понеділок після початку літнього часу. Російські дослідники також стверджують, що їхня країна мала величезне збільшення серцевих нападів та рівня самогубств у цей день, і з цієї причини Росія та багато країн відмовляються від переходу на літній час. Але якщо це завдає стільки шкоди, чому і з чого почалося?

Це зміщення годинникового часу - у США, встановлення його попереду на годину у березні, а потім повернення до стандартного часу в листопаді - виникло в різні періоди історії та незалежно в багатьох країнах з різних причин. Наприклад, новозеландський ентомолог наприкінці 1800-х років хотів більше вечірніх годин, щоб знайти комах, а німці під час Першої світової війни сподівалися, що це допоможе їхнім військовим зусиллям. В даний час такою практикою займаються лише трохи більше третини країн світу. Багато країн - засновані на науці та як відображення їхньої цінності здоров'я, безпеки та продуктивності - роблять крок, щоб відмовитись від практики зміни годинника.

Незалежно від часового поясу, багатьом людям доводиться жити за іншим годинником через свій робочий час. Хоча деякі мають розкіш робочого дня з 9:00 до 5:00 вечора, працівникові зміни, можливо, доведеться працювати посеред ночі (рис. 3.14). Ще складніше, деякі працівники вахти мають щотижневі обертання у своїх змінях, від денного до ночі до ранку. Нічна зміна може відбуватися з 17:00 до 1:00 ранку, при цьому ранкова зміна з 1:00 ранку до 9:00 Змінна робота пов'язана з руйнівними проблемами зі здоров'ям, такими як підвищення частоти серцево-судинних розладів, депресії, діабету та раку. Всесвітня організація охорони здоров'я перерахувала роботу по зміні як ймовірний канцероген, оскільки він пов'язаний з раком. Вони заявляють, що це пов'язано з шкодою для здоров'я, яка виникає з порушенням циркадного ритму.

Однією з рекомендацій, що допомагають змінним працівникам, є усунення щотижневого обертання між змінами, щоб організм не мав відчувати еквівалент подорожі через вісім часових поясів щотижня і ніколи не осідати на жодному циркадному ритмі. Наука вказує, що при необхідності обертання зрушення слід обертати за годинниковою стрілкою: від денної зміни, до нічної зміни, до ранкової зміни. Цей рух, хоча і не має однакової величини, принаймні в тому ж напрямку, що і наш внутрішній циркадний ритм, який щодня на п'ятнадцять хвилин довше, змушуючи нас природно хотіти лягати спати і прокидатися пізніше кожен день. Інша порада - обертатися кожні три тижні, а не щотижня. Захист очей від сонячного світла та синього світла за допомогою тонованих окулярів за дві години до сну також корисний працівникам зміни, особливо тим, хто їде через яскраве сонячне світло, коли вони прямують додому для свого такого необхідного сну.

Зміна часового поясу, що переживається при поїздках авіакомпанії, має деякі труднощі, пов'язані з вахтовою роботою (рис. 3.15). Вчені показали, як реактивний відставання може спричинити проблеми з травленням, порушення менструального циклу, почуття депресії та туманне мислення. Залишивши свій власний, SCN пристосовується до нового часового поясу лише на годину на день, тому, на щастя, існує кілька ефективних стратегій реактивного відставання. Один з найдивовижніших протоколів - голодування, щоб скинути наш внутрішній годинник. Дослідження показали, що якщо тварина не отримує достатньої кількості їжі, світло займає заднє місце як найсильніший zeitgeber. Рушійним фактором циркадного ритму стає все про найкращий час для отримання їжі. Див. Розділ 6 для підходів до мінімізації затримки струменя.

Реактивний відставання і вимогливі графіки роботи та школи мотивують багатьох людей звертатися до кофеїну в спробі попередити циркадний ритм (рис. 3.16). Але ми платимо за цей короткостроковий приріст. Активність аденозину, що створює тиск сну, перехоплюється кофеїном, який блокує аденозинові рецептори в мозку, тому вони не здатні активуватися. Теобромін, що входить до складу шоколаду, працює аналогічно кофеїну, оскільки він також блокує аденозинові рецептори. Блокування аденозинових рецепторів, будь то через кофеїн або теобромін, створює короткочасну ілюзію, що ми не сонні. Однак аденозин все ще накопичується зі своєю нормальною швидкістю. Потім, коли кофеїн (або теобромін) розщеплюється і аденозинові рецептори знову доступні, в мозку спостерігається надзвичайно високий рівень аденозину, а активація рецептора аденозину є значною, що спричиняє типовий крах, що переживає кілька годин після вживання кофеїну. Для деяких наступним кроком є ще одна чашка кави, продовжуючи цикл, який матиме згубний вплив на сон тієї ночі. Залежно від таких факторів, як вік і генетика, кофеїн метаболізується з різною швидкістю: кофеїн може зайняти близько тридцяти хвилин, але він все ще може бути в системі вісім-десять годин пізніше.

Поліфазний проти двофазного

Якщо є група людей з ресурсами і волею, щоб зламати циркадний ритм і зменшити необхідні години сну, це буде Національне управління з аеронавтики та космосу (NASA). Кожну годину космонавта в космосі дорого, а кожну годину, коли вони сплять, - це година, яку вони могли б працювати (рис. 3.17). Тим не менш, навіть вчені NASA не з'ясували спосіб обійти той факт, що більшості з нас потрібно близько восьми годин сну і десятихвилинного дрімоти щодня. Це двофазний сон: два періоди сну кожні двадцять чотири години. Соло моряки також зацікавлені в пошуку способу, щоб спати менше і все ще виконувати оптимально, оскільки вони можуть бути в морі протягом декількох днів і повинні тримати свій вітрильник безпечним і на курсі.

Отже, Клаудіо Стампі, фахівець зі сну і експерт кругосвітнього моряка, був лідером у розробці поліфазного сну для моряків, спортсменів та інших в екстремальних ситуаціях, включаючи космічний простір. Однією з форм поліфазного сну є тридцятихвилинний дрімота кожні чотири години, загалом три години сну протягом цілодобового періоду (рис. 3.18). Однак навіть сам Стампі, самопроголошений двофазний сплячий, зрозуміло, що поліфазний сон призначений лише для екстремальних подій і є нездоровою практикою довгостроково.

Незважаючи на це, концепція отримання додаткових годин неспання щодня стала непереборною для мирян, які розглядають це як спосіб потенційно додати роки неспання в життя людини. На основі досліджень заборгованості сну, однак, шкода здоров'ю, спричинена цим графіком сну, швидше за все, фактично займе кілька років життя людини та зменшить якість їхніх років життя, зменшуючи когнітивну функцію, знижуючи настрій, зменшуючи фізичні здібності тощо. Незважаючи на протиріччя, практика злетіла і отримала наступне. Це прикро неправильне тлумачення досліджень Штампі.

Ще одне ймовірне неправильне тлумачення, пов'язане з дослідженням циркадного ритму, стосується новин про минулий сон. У минулому, стверджує ця теорія, графік полягав у тому, щоб спати кілька годин вночі, прокинутися опівночі на пару годин і повернутися спати ще на кілька годин. Деякі повідомили, що це двофазний режим сну, який ми всі повинні дотримуватися. Ця практика, здавалося, виникла приблизно в 1700-х роках серед групи західноєвропейців: після сну кілька годин вони прокидалися для співу, сексу, молитви чи розповіді, а потім закінчили решту сну до ранку.

Хоча він зробив популярні заголовки, докази вказують на те, що це була ізольована практика і що для цього немає біологічного обґрунтування. Журі знаходиться в: на основі наукової експертизи циркадного ритму людини протягом століть і в нинішній час, ми дійсно еволюціонували як двофазні сплячі - тобто спати близько восьми годин щоночі з десяти-двадцятихвилинним дрімотою вдень.