Вы когда-нибудь задумывались, почему в одно и то же время каждый день хочется спать, есть или заниматься спортом? Или почему после перелета через несколько часовых поясов мы чувствуем себя разбитыми? Ответ кроется в удивительной системе биологических часов нашего организма – циркадных ритмах. В 2017 году Нобелевскую премию по физиологии и медицине присудили ученым Джеффри Холлу, Майклу Росбашу и Майклу Янгу за открытие молекулярных механизмов, контролирующих эти ритмы. Их исследования раскрыли, как живые организмы, включая человека, подстраивают свою физиологию под 24-часовой цикл вращения Земли. В этой статье мы подробно рассмотрим нейробиологию циркадных ритмов, их влияние на здоровье и способы восстановления нарушенных циклов.
Что такое циркадные ритмы: научная основа суточных циклов
Циркадные ритмы (от лат. circa – “около” и dies – “день”) представляют собой циклические колебания интенсивности различных биологических процессов, связанные со сменой дня и ночи. Период этих ритмов обычно составляет примерно 24 часа и 11 минут. Несмотря на тесную связь с внешними стимулами, циркадные ритмы имеют эндогенное происхождение – они заложены в нашей генетике.
Ключевые факты о циркадных ритмах:
- Эти ритмы присутствуют у множества живых организмов, от цианобактерий и грибов до растений и животных.
- У человека и других млекопитающих существуют внутренние биологические часы, которые продолжают работать даже при отсутствии внешних стимулов.
- Около 20% всех наших генов “включаются” и “выключаются” во время одного полного циркадного цикла.
- Циркадные ритмы контролируют не только циклы сна и бодрствования, но и температуру тела, артериальное давление, выработку гормонов и множество других физиологических процессов.
Исследования показали, что в основе циркадных ритмов лежит работа специфических генов и белков. Ученые выделили ген Per (от “период”), который кодирует белок, накапливающийся в клетке в течение ночи и разрушающийся днем. Позже были обнаружены и другие гены, участвующие в этом процессе – timeless и doubletime, а также несколько белков, которые вместе активируют ген Per и позволяют естественному свету запускать необходимые циклы.
Нейробиология циркадных ритмов: как мозг управляет суточными циклами
Главным “дирижером” циркадного оркестра в организме человека является супрахиазматическое ядро (СХЯ) гипоталамуса – небольшая область мозга размером с рисовое зернышко, расположенная над перекрестом зрительных нервов. Этот “циркадный центр” получает информацию от органов чувств, особенно от сетчатки глаза, и регулирует работу всех внутренних часов организма.
| Структура мозга | Функция в циркадной системе |
|---|---|
| Супрахиазматическое ядро (СХЯ) | Центральный регулятор циркадных ритмов, “главные биологические часы” |
| Гипоталамус | Содержит СХЯ, отвечает за реакцию на стресс, регуляцию температуры тела |
| Паравентрикулярное ядро гипоталамуса | Передает сигналы о “запуске” синтеза гормонов в гипофиз |
| Эпифиз (шишковидная железа) | Вырабатывает мелатонин – “гормон сна” |
| Ретиногипоталамический путь | Передает информацию о свете от сетчатки к супрахиазматическому ядру |
Механизм работы циркадной системы можно описать следующим образом:
- Специальные фоторецепторные ганглиозные клетки сетчатки воспринимают свет (особенно чувствительны к синему спектру) и передают сигналы в супрахиазматическое ядро по ретиногипоталамическому пути.
- Супрахиазматическое ядро обрабатывает эту информацию и посылает сигналы в различные центры мозга, ответственные за выработку гормонов-регуляторов суточной активности организма.
- Под влиянием этих сигналов эпифиз регулирует выработку мелатонина – гормона, вызывающего сонливость. Уровень мелатонина повышается вечером и достигает пика примерно в середине ночи, а утром снижается.
- Одновременно регулируется выработка кортизола – “гормона бодрости”, уровень которого повышается утром и снижается вечером.
Интересный факт: нейроны супрахиазматического ядра проявляют необычную активность. Исследования показали, что головной мозг посылает короткие электрические импульсы всему организму на рассвете и на закате, в то время как в остальное время суток он не посылает никаких сигналов. Это открытие изменило прежнее представление ученых о механизмах циркадных ритмов.
Важно отметить, что не только супрахиазматическое ядро содержит циркадные часы. Клетки сердца, печени, легких, поджелудочной железы, почек, мышечной и соединительной тканей также имеют собственные часовые гены. Деятельность этих периферических систем подчинена своим суточным ритмам, которые в целом совпадают с ритмами супрахиазматического ядра, но могут быть сдвинуты во времени.
Влияние циркадных ритмов на функции мозга и организма
Циркадные ритмы оказывают огромное влияние на множество физиологических процессов в организме, включая:
- Цикл сна и бодрствования
Наиболее очевидное проявление циркадных ритмов – это регуляция сна и бодрствования. В течение суток наша сонливость и активность меняются в соответствии с внутренними часами. Здоровый сон – это время, когда мозг буквально промывается и очищается с помощью спинномозговой жидкости (ликвора). Эта жидкость выводит продукты обмена, в том числе токсичные соединения, которые ухудшают функции памяти. Также во сне активно восстанавливаются миелиновые оболочки – они необходимы для передачи сигналов между нейронами.
- Когнитивные функции
Наши интеллектуальные способности также подвержены циркадным колебаниям. Утром и днем нам проще концентрироваться и решать сложные задачи. В первой половине дня лучше работает кратковременная память, а во второй – долговременная. Вечером когнитивные функции постепенно снижаются, реакции замедляются.
- Метаболизм и пищеварение
Циркадные ритмы регулируют выработку желудочного сока и ферментов, влияют на усвоение питательных веществ. Нарушение циркадных ритмов может привести к нарушению обмена веществ и набору веса. Интересно, что механизм интервального голодания основан именно на синхронизации приемов пищи с циркадными ритмами.
- Иммунная система
Иммунные клетки вырабатываются согласно циркадным циклам, включая ежедневный синтез цитокинов, хемокинов и цитолитических факторов. Эффективность работы иммунной системы напрямую зависит от правильной работы биологических часов.
- Гормональный фон
В течение суток уровень различных гормонов в крови циклически меняется:
| Гормон | Пик активности | Минимум активности | Функции |
|---|---|---|---|
| Мелатонин | Ночь (2-4 часа) | День | Регуляция сна, антиоксидант |
| Кортизол | Утро (6-8 часов) | Ночь | Энергия, бодрость, стресс-реакция |
| Тестостерон | Утро | Вечер | Мышечная масса, либидо, энергия |
| Инсулин | После приема пищи | Натощак | Регуляция глюкозы в крови |
| Гормон роста | Ночь (во время глубокого сна) | День | Рост, восстановление тканей |
- Сердечно-сосудистая система
Артериальное давление, частота сердечных сокращений и другие параметры сердечно-сосудистой системы также подвержены циркадным колебаниям. Именно поэтому риск сердечных приступов и инсультов выше в утренние часы, когда происходит резкий подъем артериального давления.
Хронотипы: индивидуальные особенности циркадных ритмов
Хотя у всех людей есть циркадные ритмы, их конкретные характеристики могут существенно различаться. Хронотип – это индивидуальный суточный ритм, генетически обусловленный паттерн активности и отдыха. Народные обозначения “жаворонок” и “сова” – это упрощенное описание хронотипов.
Основные хронотипы:
- Утренний тип (“жаворонки”) – люди, которые легко просыпаются рано утром, наиболее активны в первой половине дня и рано ложатся спать.
- Вечерний тип (“совы”) – люди, которые с трудом встают рано утром, наиболее продуктивны вечером и поздно ложатся спать.
- Промежуточный тип (“голуби”) – люди с гибким режимом, легко адаптирующиеся к разным графикам.
- Крайне ранний тип – люди, которые просыпаются экстремально рано (3-4 часа утра) и ложатся спать очень рано (19-20 часов).
- Крайне поздний тип – люди, наиболее активные глубокой ночью и спящие до полудня.
Для определения хронотипа разработаны специальные опросники:
- Опросник циркадного типа (CTQ)
- Анкета определения утреннего и вечернего состояния (Auto-MEQ)
- Мюнхенский опросник хронотипа (MCTQ)
- Шкала суточного типа Ларса Торсвалла и Торбьорна Окерштедта
Знание своего хронотипа помогает планировать день в соответствии с естественными окнами продуктивности, что повышает эффективность работы и улучшает самочувствие.
Нарушения циркадных ритмов: причины и последствия
В современном мире “24/7” многие факторы могут нарушать нормальную работу циркадных ритмов:
- Искусственное освещение и экраны гаджетов
Синий свет от экранов смартфонов, компьютеров и телевизоров имитирует дневной свет и подавляет выработку мелатонина, нарушая нормальный цикл сна и бодрствования.
- Несоответствие рабочего графика хронотипу
Необходимость вставать рано для “сов” или работать допоздна для “жаворонков” создает постоянный стресс для организма.
- Сменная работа
Работа в ночную смену противоречит природным циркадным ритмам человека и может приводить к серьезным нарушениям здоровья.
- Джетлаг (смена часовых поясов)
При быстром перемещении через несколько часовых поясов внутренние часы не успевают синхронизироваться с местным временем, что вызывает временный десинхроноз.
- Несоблюдение режима сна
Поздний отход ко сну в выходные дни, частые изменения времени пробуждения и засыпания нарушают стабильность циркадных ритмов.
Последствия нарушений циркадных ритмов могут быть весьма серьезными:
- Нарушения сна: бессонница, чрезмерная дневная сонливость, частые ночные пробуждения, мучительные ранние подъемы, апноэ сна.
- Метаболические нарушения: набор веса, риск развития диабета 2 типа, нарушения пищеварения.
- Психические расстройства: депрессия, тревожность, снижение когнитивных функций.
- Сердечно-сосудистые заболевания: гипертония, повышенный риск инфаркта и инсульта.
- Нейродегенеративные заболевания: повышенный риск развития болезни Альцгеймера и Паркинсона.
Снижение иммунитета: повышенная восприимчивость к инфекциям, воспалительные процессы.
Чек-лист для восстановления циркадных ритмов
Если ваши циркадные ритмы нарушены, следующие стратегии помогут их восстановить:
1. Утренние ритуалы:
- Просыпайтесь в одно и то же время каждый день (даже в выходные)
- Выходите на яркий свет в течение 30-60 минут после пробуждения
- Занимайтесь физическими упражнениями в первой половине дня
- Завтракайте в течение часа после пробуждения
- Избегайте кофеина после полудня
2. Дневные практики:
- Обеспечьте достаточное освещение рабочего места
- Делайте короткие перерывы на свежем воздухе
- Планируйте наиболее сложные задачи на период вашей наивысшей продуктивности
- Обедайте примерно в одно и то же время каждый день
- Ограничьте дневной сон 15-30 минутами (и не позже 15:00)
3. Вечерние привычки:
- Минимизируйте яркий и синий свет за 2-3 часа до сна
- Используйте специальные фильтры синего света на экранах или очки с блокировкой синего света
- Прекратите использование электронных устройств за 1-2 часа до сна
- Поддерживайте прохладную температуру в спальне (18-20°C)
- Создайте расслабляющий ритуал перед сном (теплая ванна, чтение, медитация)
- Ложитесь спать в одно и то же время каждую ночь
- Обеспечьте полную темноту в спальне (используйте светонепроницаемые шторы)
4. Световая гигиена:
- Увеличьте воздействие яркого света в течение дня
- Используйте полный спектр освещения в помещениях
- Минимизируйте яркий свет вечером (используйте приглушенное освещение)
- Активируйте режим “Night Shift” или аналогичные функции на ваших устройствах
- Используйте специальные лампы с регулируемым спектром, имитирующие естественный дневной свет
5. Стратегии при смене часовых поясов:
- Постепенно адаптируйте режим сна к новому часовому поясу до поездки
- По прибытии сразу перейдите на местное время
- Проводите больше времени на свежем воздухе в новом часовом поясе
- Избегайте дневного сна в первые дни
- При необходимости используйте мелатонин по рекомендации врача
Вопросы и ответы о циркадных ритмах (FAQ)
Вопрос: Можно ли изменить свой хронотип?
Ответ: Хронотип определяется генетически и трудно поддается кардинальному изменению. Однако можно частично адаптировать режим к требованиям внешней среды путем последовательного соблюдения режима и правильного светового воздействия. С возрастом многие “совы” естественным образом сдвигаются к более раннему хронотипу.
Вопрос: Влияют ли циркадные ритмы на эффективность лекарств?
Ответ: Да, эффективность многих лекарств зависит от времени их приема. Наука, изучающая оптимальное время для приема лекарств, называется хронофармакологией. Например, статины лучше принимать вечером, так как печень активнее производит холестерин ночью, а антигистаминные препараты более эффективны вечером, когда симптомы аллергии обычно усиливаются.
Вопрос: Почему после перелета через несколько часовых поясов мы чувствуем себя плохо?
Ответ: При быстром перемещении через несколько часовых поясов возникает десинхроноз (джетлаг) – состояние, при котором внутренние биологические часы не соответствуют местному времени. Разные системы организма адаптируются к новому времени с разной скоростью, что вызывает временное рассогласование циркадных ритмов и связанные с этим симптомы: усталость, бессонницу, проблемы с пищеварением, снижение концентрации внимания.
Вопрос: Существуют ли препараты для коррекции циркадных ритмов?
Ответ: Основным препаратом для коррекции циркадных ритмов является мелатонин – синтетический аналог естественного гормона сна. Он помогает при джетлаге и некоторых нарушениях сна. Однако применять его следует только по рекомендации врача. Также разрабатываются новые препараты, воздействующие на часовые гены, но они пока находятся на стадии исследований.
Вопрос: Как циркадные ритмы влияют на физическую активность?
Ответ: Оптимальное время для физических нагрузок зависит от индивидуальных циркадных ритмов. Для большинства людей пик силы и выносливости приходится на период с 16 до 20 часов, когда температура тела наиболее высока. Однако “жаворонки” могут показывать лучшие результаты в утренние часы. При этом интенсивные тренировки непосредственно перед сном могут нарушать циркадные ритмы, повышая температуру тела и уровень кортизола.
Вопрос: Влияют ли сезонные изменения на циркадные ритмы?
Ответ: Да, сезонные изменения продолжительности светового дня влияют на циркадные ритмы. Зимой, когда световой день короче, многие люди испытывают сонливость и снижение настроения. Это может приводить к сезонному аффективному расстройству (САР). Для профилактики САР рекомендуется увеличить воздействие яркого света в утренние часы, например, с помощью специальных светотерапевтических ламп.
Ресурсы и ссылки
- Национальный медицинский исследовательский центр психиатрии и неврологии им. В.М. Бехтерева – информация о диагностике и лечении нарушений сна и циркадных ритмов.
- Российское общество сомнологов – научные публикации и информация для специалистов и пациентов о проблемах со сном.
- Научно-клинический центр оториноларингологии ФМБА России – диагностика и лечение апноэ сна и других нарушений.
- Элементы.ру – научно-популярный портал с статьями о циркадных ритмах и других аспектах биологии.
- Научная электронная библиотека eLIBRARY.RU – доступ к научным публикациям российских исследователей по хронобиологии.
Источники, использованные при написании статьи
- Пигарев И.Н., Пигарева М.Л. Сон и контроль висцеральных функций // Российский физиологический журнал им. И.М. Сеченова. 2018. Т. 104, № 3. С. 289-308.
- Ковальзон В.М. Основы сомнологии: физиология и нейрохимия цикла “бодрствование-сон”. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2017. 239 с.
- Арушанян Э.Б. Хронобиология и хрономедицина как новый раздел физиологии // Медицинский вестник Северного Кавказа. 2015. Т. 10, № 1. С. 104-111.
- Заславская Р.М., Щербань Э.А., Тейблюм М.М. Хронобиология и хрономедицина. М.: ИД Медпрактика-М, 2018. 320 с.
- Гончаров Н.П., Кация Г.В. Мелатонин: биосинтез в организме, его биологические эффекты и клиническое применение // Проблемы эндокринологии. 2015. Т. 61, № 2. С. 51-59.