Циркадные ритмы организма: Настроить биологические часы организма помогают магнитные колебания

Настроить биологические часы организма помогают магнитные колебания

Ярославские ученые выяснили, что медленные магнитные колебания могут увлечь за собой циркадные ритмы организма. Работу ведут сотрудники подведомственного Минобрнауки России Института биологии внутренних вод (ИБВВ) им. И.Д. Папанина РАН.

Внутренний регулятор

Циркадные ритмы — это циклические изменения в организме, которые в течение суток поддерживают его оптимальное функционирование. Самый яркий тому пример — цикл сна и бодрствования. Одни и те же биологические процессы в разное время суток протекают по-разному. Эти различия определяются внутренними часами организма — циркадным осциллятором, который представляет собой сложный каскад биохимических событий. За исключением некоторых особенностей, внутренний осциллятор работает одинаково у животных и человека. Циркадная ритмичность позволяет организму оптимально использовать энергию и ресурсы в изменяющихся условиях внешней среды.

Если «внешние» смены дня и ночи не совпадают с внутренним осциллятором, это может вызвать у человека усталость, бессонницу, головную боль, потерю аппетита и т. д. Для того чтобы внутренние часы не «отстали» или не «убежали вперед», эндогенный циркадный осциллятор постоянно синхронизируется с внешними водителями ритма. Самый изученный из них — ежедневное изменение освещенности. Однако другие периодические изменения в окружающей среде также могут быть использованы для этой цели. Так, еще в 1960-х годах ученые предположили, что в качестве дополнительного внешнего водителя циркадных ритмов животные могут использовать суточную геомагнитную вариацию.

Исследования показали, что магнитные поля могут влиять на некоторые поведенческие параметры с околосуточным периодом у разных животных, включая рыб. Однако проверить, смогут ли медленные изменения магнитного поля подчинить себе биологические циркадные ритмы и заставить их ускориться или замедлиться, было крайне сложно из-за необходимости устранения естественных геомагнитных вариаций.

Прорывной эксперимент

На фото: схема проведенных экспериментов

Ученые ИБВВ РАН стали первыми, кто провел подобные эксперименты. Для этого они поместили рыбок данио в полностью контролируемую магнитную среду, где регистрировали их поведение. На рыб действовали предварительно записанные сигналы естественной суточной геомагнитной вариации, воспроизводимые с разной скоростью.

«Результаты показали, что медленные магнитные колебания могут увлекать за собой циркадные ритмы поведения рыб, которые напрямую связаны с внутренним осциллятором. Вероятно, ключевую роль в этом процессе играют белки криптохромы. С одной стороны, эти белки — важный элемент биохимического цикла, поддерживающего внутренние циркадные ритмы. С другой — именно криптохромы могут отвечать за восприятие изменений магнитного поля за счет долгоживущих бирадикалов (частиц с двумя пространственно разделенными неспаренными электронами)», — сказал заведующий лабораторией популяционной биологии и генетики ИБВВ РАН, доктор биологических наук Вячеслав Крылов.

На фото: актограммы и периодограммы Ломба-Скаргла для двигательной активности данио, содержавшихся при различных сочетаниях светового режима и магнитных колебаний

Исследования с данио продолжаются, сейчас ученые планируют оценить циркадные ритмы у рыб с нокаутом (когда ген «выключают», и он не участвует в биологических процессах) генов криптохромов. Кроме этого, эксперимент повторят со слепыми пещерными рыбами, которые, предположительно, более чувствительны к изменениям магнитного поля из-за врожденного отсутствия глаз.

Исследование открывает перспективы для магнитного контроля циркадных процессов.

Научная статья опубликована в Biology.

Циркадные ритмы — секреты биологических часов

Еще в 2017 году Нобелевскую премию по физиологии присудили ученым, исследовавшим так называемые «циркадные ритмы» — биологические часы человека, контролирующие работу практически каждой системы нашего организма. Сегодня мы расскажем вам о том, что же представляют собой эти загадочные биоритмы и как человек может нормализовать свой сон, не прибегая к таблеткам.

Василий Макаров

Независимо от того, являетесь ли вы совой или жаворонком, который изо дня в день поднимается с восходом солнца, привычка организма ко сну в определенное время регулируется так называемыми циркадными ритмами. Эти внутренние часы контролируют практически все аспекты нашего здоровья: от аппетита и сонливости до деления клеток, продукции гормонов и состояния сердечно-сосудистой системы. Ученые настроены оптимистично, поскольку в один прекрасный день медицина имеет все шансы разработать препараты или терапии, регулирующие циркадные ритмы организма — и проблемы с недосыпом уйдут в прошлое.

Как работают наши внутренние часы

Практически каждая клетка в организме человека обладает молекулярными «часами». Проявляется это таким образом, что примерно каждые 24 часа определенные тактовые белки взаимодействуют друг с другом в своего рода медленном танце. В течение дня этот процесс приводит к своевременной активации тех или иных генов, контролирующих разнообразные процессы, в том числе и высвобождение в кровь определенных гормонов. Мелатонин — гормон, стимулирующий сон, и его концентрация в крови тоже зависит от генной активности.

Почему сердечные приступы и инсульты в два-три раза чаще встречаются ранним утром? Потому что внутренние часы запрограммированы в это самое время увеличивать кровяное давление, чтобы помочь организму проснуться. Почему дети растут во сне? Потому что гормон роста вырабатывается в организме человека лишь раз в сутки, именно в фазу ночного сна (поэтому злоупотреблять послеобеденным сном в таком возрасте не стоит). В результате, гармоничная работа всех систем организма так или иначе связана с этими часами. Именно поэтому нарушения ритма сна и бодрствования увеличивают риск ожирения, развития хронических заболеваний и даже рака, не говоря уже об общем ухудшении самочувствия.

Время приема пищи также может повлиять на ваше здоровье: то, когда вы едите, часто намного важнее того, что вы едите. Несколько лет назад исследователи проанализировали этот процесс на примере кормления мышей, которые обычно ведут ночной образ жизни. Их посадили на диету с высоким содержанием жиров, и результат последовал незамедлительно: те, кто принимали пищу в активное время суток, оставались в форме; а вот любители денно и нощно что-нибудь погрызть практически сразу начали страдать от избыточного веса и заболевали.

Как настроить свои биологические часы

youtube

Нажми и смотри

Наш биологический ритм «кодируется» индивидуально, при этом большинство людей попадают в 24-часовой цикл. Однако существуют и те, чей внутренний распорядок рассинхронизирован — к примеру, ставший таким популярным ритм «совы». Ученые считают, что у 1 из 75 человек «совиный» режим вызван мутацией белка CRY1, который задерживает состояние сонливости до наступления раннего утра. Это не только усложняется тем, что «совам» приходится рано вставать и заниматься каждодневными делами, но и тем, что из-за рассинхрона цикл становится удлиненным и организм постоянно находится в состоянии напряженного, нездорового бодрствования. Но это — редкая генетическая мутация, а всем остальным может помочь улучшить свое состояние простая и действенная терапия.

Биологические часы, конечно, синхронизируются с мозгом. Свет, который улавливают наши глаза, помогает поддерживать цикл дня и ночи — именно поэтому при путешествии в другой часовой пояс ваши внутренние часы перестают соответствовать солнечному циклу, а для адаптации требуется примерно неделя. В повседневности злейшим врагом внутренних часов является яркий искусственный свет в ночное время, который буквально дезориентирует системы организма. Ученые выяснили, что даже обычное чтение электронных книг по ночам в течение нескольких часов может вызвать ухудшение сна и ухудшить самочувствие на следующий день.

К счастью, подобные воздействия можно свести к минимуму с помощью «световой гигиены». В течение дня следует обеспечить глаза достаточным количеством яркого света, а вот с наступлением сумерек его воздействие лучше минимизировать. Этот простой шаг позволит циркадным часам синхронизироваться с естественным суточным циклом, что способствует здоровому и крепкому сну.

Будущее и перспективные исследования

Чем дольше ученые изучают циркадные ритмы — тем выше шанс, что они помогут разработать действенные методики того, как привести состояние сна и бодрствования в гармонию. Сейчас большинство исследований направлены на изучение сложных молекулярных механизмов, регулирующих циркадные ритмы: в частности, генетики анализируют взаимодействие CRY1 с другими «часовыми» белками в надежде понять, как именно мутации наносят ущерб биологическим часам. Они уже выяснили, что мутировавший белок удерживает связь со своими партнерами дольше, чем следует, прямо как неуверенный танцор в более опытной группе. Задержка в синхронизации этой пары подобно цепной реакции вызывает сбой в работе и других систем, вынужденных подстраиваться под нарушенный ритм.

Учитывая сложную и до сих пор не до конца изученную природу биочасов, можно уверенно утверждать, что на циркадные ритмы влияет множество других генов. Это хорошая новость, поскольку в данном случае даже людям с нарушенным геномом можно будет помочь фармакологией, максимизируя полезный эффект и минимизируя негативное воздействие лекарств на организм в целом. Это беда современных препаратов, поднимающих давление или снижающих уровень холестерина — на каждый полезный эффект приходится десяток неприятных побочных.

Возможно, в ближайшем будущем появятся даже специальные гаджеты, которые смогут мониторить состояние ритмов человека в режиме реального времени и предупреждать о сбитом режиме заблаговременно. Это может звучать как очередной излишне оптимистичный прогноз, но в реальности практически все предпосылки для создания подобных устройств уже выполнены. Сейчас научное сообщество лишь подбирает удобные биомаркеры, содержание которых в крови будет наглядно отражать состояние циркадных ритмов.

Циркадные ритмы

на испанском языке

Другие информационные бюллетени

PDF-версия

Что такое циркадные ритмы?

Циркадные ритмы — это физические, умственные и поведенческие изменения, которые следуют 24-часовому циклу. Эти естественные процессы в первую очередь реагируют на свет и темноту и влияют на большинство живых существ, включая животных, растения и микробы. Хронобиология изучает циркадные ритмы. Одним из примеров связанных со светом циркадных ритмов является сон ночью и бодрствование днем. Изображение среднего циркадного цикла подростка показывает цикл циркадного ритма типичного подростка.

Что такое биологические часы?

Биологические часы — это естественные устройства измерения времени организмов, регулирующие цикл циркадных ритмов. Они состоят из конкретных
молекулы (белки), которые взаимодействуют с клетками по всему телу. Почти каждый
ткань и
орган содержит биологические часы. Исследователи выявили похожие
гены у людей, плодовых мушек, мышей, растений, грибов и некоторых других организмов, из которых состоят часы.
молекулярные компоненты.

Что такое главные часы?

Главные часы в мозгу координируют все биологические часы живого существа, синхронизируя их. В
позвоночных животных, в том числе человека, главными часами является группа около 20 000
нервные клетки (нейроны), образующие структуру, называемую супрахиазматическим ядром или СХЯ. SCN находится в части мозга, называемой гипоталамусом, и получает непосредственную информацию от глаз.

Цикл циркадных ритмов типичного подростка. Кредит: НИГМС.

Главные часы координируют биологические часы по полученному свету. Кредит: NIGMS

Организм создает и поддерживает свои собственные циркадные ритмы?

Да, естественные факторы в организме создают циркадные ритмы. Для человека одними из наиболее важных генов в этом процессе являются
Период и
гена криптохрома . Эти гены кодируют белки, которые накапливаются в клетках.
ядра ночью и уменьшаются в течение дня. Исследования на плодовых мушках показывают, что эти белки помогают активировать чувства бодрствования, бдительности и сонливости. Однако сигналы из окружающей среды также влияют на циркадные ритмы. Например, воздействие света в разное время суток может сбрасываться, когда тело включается.
Период и
гена криптохрома .

Как циркадные ритмы влияют на здоровье?

Циркадные ритмы могут влиять на важные функции нашего организма, например:

• Выброс гормонов
• Пищевые привычки и пищеварение
• Температура тела

Однако большинство людей замечают влияние циркадных ритмов на свой сон. SCN контролирует выработку мелатонина, гормона, вызывающего сонливость. Он получает информацию о входящем свете от зрительных нервов, которые передают информацию от глаз к мозгу. Когда света меньше — например, ночью — СХЯ приказывает мозгу вырабатывать больше мелатонина, чтобы вы почувствовали сонливость.

Нобелевская премия

В 2017 году исследователи Джеффри С. Холл, Майкл Росбаш и Майкл У. Янг получили престижную Нобелевскую премию за свои исследования циркадных ритмов. Изучая плодовых мушек, чей генетический состав очень похож на человеческий, они выделили ген, который помогает контролировать биологические часы. Ученые показали, что этот ген производит белок, который накапливается в клетках в течение ночи, а затем разрушается в течение дня. Этот процесс может повлиять на то, когда вы спите, насколько резко работает ваш мозг и многое другое. Все три исследователя финансировались NIGMS, когда были сделаны эти важные открытия.

Нейроны циркадного ритма в мозгу плодовой мушки. Предоставлено: Матье Кейви и Джастин Блау, Нью-Йоркский университет

Мелатонин — это гормон, вызывающий сонливость. Авторы и права: iStock

Какие факторы могут изменить циркадные ритмы?

Изменения в нашем теле и факторы окружающей среды могут привести к рассинхронизации наших циркадных ритмов и естественного цикла свет-темнота. Например:

• Мутации или изменения в определенных генах могут повлиять на наши биологические часы.
• Смена часовых поясов или сменная работа вызывают изменения в цикле свет-темнота.
• Свет от электронных устройств ночью может сбить наши биологические часы.

Эти изменения могут вызывать нарушения сна и другие хронические заболевания, такие как ожирение, диабет, депрессия, биполярное расстройство и сезонное аффективное расстройство.

Как циркадные ритмы связаны со сменой часовых поясов?

Когда вы проходите через разные часовые пояса, ваши биологические часы будут отличаться от местного времени. Например, если вы летите на восток из Калифорнии в Нью-Йорк, вы «теряете» 3 часа. Когда вы просыпаетесь в 7:00 утра на Восточном побережье, ваши биологические часы все еще идут по времени Западного побережья, поэтому вы чувствуете себя так же, как и в 4:00 утра. разная ставка. Часто вашим биологическим часам требуется несколько дней, чтобы настроиться на новый часовой пояс. Приспособиться после «выигрыша» времени может быть немного легче, чем после «проигрыша», потому что мозг приспосабливается по-разному в этих двух ситуациях.

Как исследователи изучают циркадные ритмы?

Ученые узнают о циркадных ритмах, изучая людей и используя организмы с похожими генами биологических часов, такие как плодовые мушки и мыши. Исследователи, проводящие эти эксперименты, контролируют окружающую среду субъекта, изменяя световые и темные периоды. Затем они ищут изменения в активности генов или другие молекулярные сигналы. Ученые также изучают организмы с нерегулярными циркадными ритмами, чтобы определить, какие генетические компоненты биологических часов могут быть нарушены.

Понимание того, что заставляет тикать биологические часы, может помочь в лечении смены часовых поясов, нарушений сна, ожирения, психических расстройств и других проблем со здоровьем. Это также может помочь людям приспособиться к работе в ночную смену. Узнав больше о генах, ответственных за циркадные ритмы, мы также сможем лучше понять человеческое тело.

Путешествие через часовые пояса нарушает ваши циркадные ритмы. Кредит: iStock

Узнать больше

Ресурсы NIGMS

• Биологические часы ( Biomedical Beat сообщения в блоге)
• Циркадные ритмы ( Пути )
• Информационный бюллетень «Изучение генов»
• BiblioTech CityHacks: In Search of Sleep (интерактивное чтение для 4–6 классов)
• Глоссарий (Произношение и понятные определения)

Прочие ресурсы

• Основы мозга: понимание сна (NINDS, NIH)
• Циркадный ритм и подкаст о вашем здоровье (NIEHS, NIH)
• Гены, контролирующие сон и циркадные ритмы (видеотрансляция NIH)
• Нарушения сна (MedlinePlus, NIH)
• Здоровье сна (NHLBI, NIH)
• Эксперимент с циркадными ритмами Международной космической станции (НАСА)
• Учебная программа по сну (Партнерство в сфере образования)

​

NIGMS является частью Национальной
Институты здоровья, поддерживающие основные
исследования, чтобы улучшить наше понимание
биологические процессы и закладывают основу для
достижения в диагностике, лечении и
профилактика. Для получения дополнительной информации о
исследовательские и учебные программы института,
посещать
https://www.nigms.nih.gov.

Последнее обновление этой страницы:
04.05.2022 17:01

Циркадные ритмы — Нарушения сна

Взгляд на естественную систему измерения времени тела

Большинство процессов, происходящих в уме и теле, следуют естественным ритмам. Те, у которых длина цикла составляет около одного дня, называются циркадными ритмами.

Что такое циркадные ритмы?

Циркадные ритмы влияют на все нижеперечисленное:

• Температура тела
• Сон и бодрствование
• Различные гормональные изменения

Суточные ритмы регулируются небольшими ядрами в средней части мозга. Их называют супрахиазматическими ядрами (СХЯ). Ядра действуют как центры управления. SCN связаны с другими частями мозга. Вместе они контролируют ваши циркадные ритмы, а также другие функции организма. Для большинства людей продолжительность полного цикла очень близка к 24 часам.

Путь проходит от ваших глаз к SCN. Свет, кажется, играет самую большую роль в настройке ваших циркадных «часов». Солнечный свет и другие сигналы времени используются, чтобы держать ваши часы настроенными изо дня в день. Это может привести к тому, что у слепых людей будут проблемы со сном. Им трудно получить сигналы времени, необходимые для настройки их циркадных часов. Другие факторы могут влиять на SCN и настройку циркадных часов. К ним относятся следующие:

• Упражнение
• Гормоны
• Лекарства

Циркадные ритмы здорового человека «настроены», как многие инструменты оркестра. Температура тела, например, начинает повышаться в последние часы сна. Это происходит непосредственно перед пробуждением. Это может способствовать чувству бдительности по утрам. Температура тела снижается ночью, когда приближается время сна. Небольшое понижение температуры также происходит у большинства людей между 14:00 и 14:00. и 16:00 Это может объяснить, почему многие люди чувствуют сонливость в начале дня. Не было доказано, что изменения температуры тела определяют наши привычки сна. Но, похоже, между ними есть связь.

Что вызывает нарушение циркадного ритма сна?

Похоже, ваша циркадная система в значительной степени запрограммирована генетикой. Исследования сна показывают, что сон, как правило, состоит из нормальных циклов стадий сна. Это также происходит чаще всего в течение одного промежутка времени в ночное время. Многие факторы могут привести к тому, что ваш «циркадный оркестр» расстроится. Циркадная система меняется с возрастом. Эти изменения могут повлиять на естественный ритм вашего тела. Они также влияют на вашу способность реагировать на сигналы времени. Эти изменения могут привести к тому, что вашему телу будет трудно соответствовать требованиям вашего ежедневного графика.

Конфликт может возникнуть и тогда, когда нехватка времени мешает вам следовать сигналам вашего тела во сне. Это может сильно нарушить ваш нормальный режим сна. Эти требования могут быть связаны с любым из следующего:

• Работа
• Школа
• Социальные обязательства

Мы только начинаем понимать, как работает циркадианная система. По мере того, как мы узнаем больше, мы можем лучше лечить связанные с этим проблемы со сном. Ниже приведены наиболее распространенные из этих проблем.

Нарушения циркадного ритма сна

Смена часовых поясов

Наиболее распространенной проблемой циркадного сна является смена часовых поясов. Это происходит, когда человек путешествует через много часовых поясов. Хороший пример тому — типичный перелет из США в Европу. Такой полет часто вызывает симптомы смены часовых поясов. Смена часовых поясов может длиться неделю или дольше.

Симптомы, связанные со сменой часовых поясов, включают следующее:

• Бессонница
• Дневная сонливость
• Несварение желудка
• Раздражительность
• Плохая концентрация

Некоторым людям требуется до недели, чтобы привыкнуть к новым временным ориентирам. Другие способны быстрее адаптироваться. Это также зависит от количества задействованных часовых поясов. У большинства людей бывает легкая форма «джетлага» два раза в год. Это происходит во время перехода на летнее время и обратно.

Сменная работа

Сменная работа Расстройство возникает у людей, работающих в ночную смену или вахтовым методом. Их проблема очень похожа на смену часовых поясов, хотя они никогда не меняют часовой пояс.

Люди в ночную смену должны работать, пока другие спят. Затем они должны попытаться уснуть, пока другие бодрствуют. Они, как правило, меньше спят днем, чем большинство других ночью. Их сон часто фрагментирован в течение дня. Их мозг активен и запрограммирован бодрствовать. Людям, которые работают посменно, часто бывает трудно выспаться. Меняющийся график работы мешает им установить режим сна.

Расстройство поздней фазы сна (DSP)

Люди с расстройством поздней фазы сна не могут заснуть ночью в обычное время. Они могут бодрствовать до 2 часов ночи или позже. Из-за этого им трудно просыпаться вовремя на работу или в школу. Немногие образы жизни допускают такой график сна и бодрствования. Эта проблема чаще встречается у молодых людей, чем у других возрастных групп. Это может помешать работе или учебе. Это также может вызвать психический стресс.

Продвинутое расстройство фазы сна (ASP)

Продвинутое расстройство фазы сна чаще встречается у пожилых людей. Только недавно это было признано серьезной проблемой. Люди с ASP, как правило, становятся очень сонливыми в начале дня. В результате они ложатся спать намного раньше, чем обычно. Это заставляет их просыпаться слишком рано утром. Потом они не могут снова заснуть.

ASP обычно не мешает нормальной работе. Общество более терпимо относится к этой проблеме, чем к DSP. ASP действительно становится проблемой, когда сонливость мешает вечерним планам. Ночью бывает трудно выполнять деловые или социальные обязательства. Недостаток сна мало решает эту проблему. Люди с АСБ по-прежнему рано просыпаются, даже если заставляют себя бодрствовать до поздней ночи.