Циркадные ритмы организма и когнитивной деятельности

15 December 2018
197 full reads
2,5 min.
341 story viewUnique page visitors
197 read the story to the endThat's 58% of the total page views
2,5 minutes — average reading time

Несмотря на то, что хронобиология, изучающая циклические изменения деятельности организмов в зависимости от конкретного времени (суток, года), является достаточно новой наукой, на сегодня она набрала очень впечатляющие данные.

Уже не подвергается никаким сомнениям тот факт, что деятельность организма претерпевает циклические изменения в течение суток и времени года. Цикличность жизнедеятельности характерна для всех живых организмов от микроорганизмов и растений до высших млекопитающих. Связано это в первую очередь с вращением Земли вокруг собственной оси и Солнца.

У высших млекопитающих центром регуляции биологических часов является область мозга, носящее название «супрахиазматическое ядро». Оно просто крошечное – размер его составляет 0,3 мм3, и клеток в нем тоже немного, но тесное расположение нейронов обеспечивает мгновенную передачу сигналов между клетками и, соответственно, четкую синхронизацию их работы. Это можно наблюдать даже если достать супрахиазмальное ядро из мозга и поместить его в теплую воду, насыщенную кислородом. В течение нескольких месяцев нейроны будут генерировать сигналы с постоянной цикличностью.

В нейронах супрахиазматического ядра, в свою очередь, расположены так называемые "часовые гены". Науке уже известно несколько видов таких генов. Работают эти гены очень интересно. В грубом виде это выглядит следующим образом. Каждый ген отвечает за выработку конкретного вида белка. Белки-продукты часовых генов в цитоплазме нейронов образуют молекулярные комплексы, которые проникают в ядро клетки и подавляют считывание часовых генов. То есть, часовые гены перестают работать, часовые белки, соответственно, больше не вырабатываются, со временем их концентрация падает и постепенно часовые гены оказываются «разблокированы», что, в свою очередь, ведет к выработке часовых белков. Однако, как при этом меняется работа самой клетки, пока остается загадкой.

       IM- и PER-белки, образуя в цитоплазме комплекс, проникают в ядро и блокируют 
       активность собственных генов
IM- и PER-белки, образуя в цитоплазме комплекс, проникают в ядро и блокируют активность собственных генов
IM- и PER-белки, образуя в цитоплазме комплекс, проникают в ядро и блокируют активность собственных генов

Другие функции супрахиазматического ядра еще активно изучаются. Например, очень вероятна его роль в защите от развития злокачественых новообразований: при удалении супрахиазматического ядра у грызунов (на которых изначально выявили то, что именно супрахиазматическое ядро является циркадным центром, впоследствии аналогичные данные были подтверждены и для человека) в 7 (!) раз быстрее развивались злокачественные опухоли. Что же касается людей, на сегодня известен тот факт, что у женщин, длительно работавших в ночную смену, аж до 60% чаще встречается рак груди – цифры ну очень внушительные!

К слову об экспериментах на мышах. Подобные исследования проводились и на людях в области онкологии. От того, в какое время проводили химиотерапию, зависел успех лечения! При проведении химиотерапии в часы наибольшей активности опухоли (наивысшей температуры) выживаемость и отсутствие рецидивов в течение 2-ух лет составила 60%! Представьте, если бы рак можно было лечить, просто правильно подобрав время проведения химиотерапии!

А вот вам пример "отрицательной стороны" циркадных ритмов. В утреннее время активность тромбоцитов, отвечающих за свертываемость крови, достигает своего пика, в связи с чем именно на утро приходится большинство случаев инсультов и инфарктов.

Утренний и вечерний хронотипы людей

В народе они известны как жаворонки и совы. Нашли ученые-хронобиологи ответ и на этот вопрос.

Как вы помните, за сон и его качество отвечает гормон мелатонин. Выделяется он верхним мозговым придатком - эпифизом - только в темное время суток, и длительность его циркулирования в крови прямо пропорциональна длительности световой ночи.

В статье про технику «ледяного человека» описывался способ поднять продуктивность за счет утреннего стресса. Это весьма физиологично, так как именно гормон стресса кортизол отвечает за пробуждение ото сна и бодрость.

К чему это я всё. В общем виде люди действительно от природы делятся на жаворонков и сов или по-научному, на утренний и вечерний хронотипы. Разница их заключается в разной «настройке» биологических часов: гормоны, отвечающие за сон и бодрствование, у них вырабатываются в разное время.  Жэми Зейцер из Исследовательского центра сна (Sleep Research Center) Стэнфордского университета в Калифорнии установила, что минимальная концентрация кортизола в крови обычно приходится на середину ночного сна, а ее пик достигается перед пробуждением.

У "жаворонков" максимум выброса кортизола происходит раньше, чем у большинства людей, - в 4-5 часов утра. Поэтому "жаворонки" более активны в утренние часы, но быстрее утомляются к вечеру. Их обычно рано начинает клонить ко сну, поскольку гормон сна - мелатонин - поступает в кровь задолго до полуночи. У "сов" ситуация обратная: мелатонин выделяется позже, ближе к полуночи, а пик выброса кортизола сдвинут на 7-8 часов утра. Указанные временные рамки сугубо индивидуальны и могут варьировать в зависимости от выраженности утреннего ("жаворонки") или вечернего ("совы") хронотипов.

            Ритмы выработки мелатонина и кортизола у человека со средним хронотипом
Ритмы выработки мелатонина и кортизола у человека со средним хронотипом
Ритмы выработки мелатонина и кортизола у человека со средним хронотипом

Циркадные ритмы когнитивной деятельности

Исследования когнитивной продуктивности людей при обычном ритме жизни каждого из участников, как вы наверняка догадываетесь, дали противоречивые результаты относительно цикличности умственной производительности. Однако эксперименты с сохранением одинаковых условий и факторов, влияющих на циркадный ритмы и продуктивность, оказываются весьма плодотворными. Участники находились в условиях одинакового освещения, температуры окружающей среды, поступления калорий и степени физической активности (последняя была снижена). Как бы это ни противоречило теории утренних и вечерних хронотипов, в условиях постоянства факторов, влияющих на циркадные ритмы, наблюдалась картина высокой продуктивности в дневное время и низкой – ночью.

Интересны результаты исследований с форсированной дехронизацией – насильным несоблюдением цикла сон-бодрствование. Например, участники должны были бодрствовать в течение 28 часов (циркадный день составляет 24-25 часов по разным источникам). При этом создавалась десинхронизация цикла сон-бодрствование и температурного цикла, который длится 24 часа. В таких условиях стало возможно выявить четкую связь между когнитивной продуктивностью и температурой тела. Наибольшая продуктивность наблюдается при пике температуры тела, а наименьшая, соответственно, при максимальном спаде температуры. Однако, по данным некоторых исследований, когнитивная продуктивности может отставать от пика температуры тела на 1-3 часа. Вопрос данной взаимосвязи пока остается открытым.

Пока ученые не вывели единого "расписания занятий" в зависимости от циркадных ритмов (если не считать сверкающие желтизной псевдонаучные публицистические статьи). Однако, для здорового большинства уже выявлено расписание когнитивной активности.

Циркадное изменение когнитивной продуктивности здорового взрослого человека со средним хронотипом (ложится в 23:00, встает в 7:00)

7:00 – 10:00 – низкий уровень когнитивной продуктивности

10:00-14:00 – продуктивность постепенно повышается

14:00 – 16:00 – резко падает (post-lunch dip)

16:00 - 22:00 – постепенное увеличение умственной продуктивности с достижением наивысшего уровня к вечеру

22:00 - 04:00 – постепенно снижается

04:00 – 7:00 – самый низкий уровень

Думаю, вы тоже заметили, что утром человеку приходится первые один-два часа работать при низкой производительности. Ученые предполагают, что это может объяснять повышенное употребление кофеин-содержащих и других стимулирующих напитков в утреннее время.
SWC - цикл сон-бодрствование, С - температура тела, S - гомеостатический фактор сонливости, CP - когнитивная продуктивность
SWC - цикл сон-бодрствование, С - температура тела, S - гомеостатический фактор сонливости, CP - когнитивная продуктивность
SWC - цикл сон-бодрствование, С - температура тела, S - гомеостатический фактор сонливости, CP - когнитивная продуктивность

Еще раз отметим, что это расписание характерно для здоровых людей, и может меняться в зависимости от хронотипа, возраста и режима сна (в том числе хронического недосыпа!).

Недосып и бессонница ведут к снижению когнитивных способностей. У пожилых бессонница часто ассоциирована со снижением выработки мелатонина.
Недосып и бессонница ведут к снижению когнитивных способностей. У пожилых бессонница часто ассоциирована со снижением выработки мелатонина.
Недосып и бессонница ведут к снижению когнитивных способностей. У пожилых бессонница часто ассоциирована со снижением выработки мелатонина.
Напоминаю о том, чтобы вы подписались и лайкнули статью, если она оказалось интересной и полезной!