Luceat Lux Vestra: роль солнечного света в регулировании циркадных ритмов
Важность сна в поддержании здорового жизненного цикла животных (в том числе вида Homo Sapiens) сложно переоценить. Причем, речь идет не только о физиологическом здоровье, но и о высших нервных функциях, например, таких как способность к обучению. Так, группа ученых из университетов Цюриха (Швейцария) и Леувена (Бельгия) в 2017 году показала [1], что во время фазы глубокого сна происходят процессы, важные для достижения определенного уровня нейропластичности, что в свою очередь является необходимым условием успешного обучения.
Циклы сна и бодрствования регулируются двумя основными факторами.
Первый — химический: нейротрансмиттер аденозин (рисунок 1) связан с появлением чувства усталости и способен вызывать тормозные эффекты.
После ночи хорошего сна уровень аденозина в нервной системе и теле минимален. Чем больше мы находимся в состоянии бодрствования, тем выше его концентрация. Именно поэтому вечером мы чувствуем утомление, а также необходимость перестать активно двигаться и восстановить силы. Таким образом, аденозин играет роль защиты от перегрузки.
В этой связи интересно отметить, что один из самых популярных психотропных препаратов — кофеин является антагонистом аденозиновых рецепторов, т.е. присоединяясь к этим рецепторам, он не позволяет аденозину передать сигнал об утомлении далее в соответствующей нейронной сети. Что это означает с практической точки зрения: несмотря на то, что нам кажется, что кофеин дает нам энергию, это не так. Кофеин лишь блокирует чувство усталости, и система продолжает активно функционировать несмотря на то, что реально она значительно утомилась. В этом кроется одна из самых серьезных опасностей кофеина.
Второй фактор регулирования сна — циркадный, а именно циркадные ритмы (циркадные означает повторяющиеся примерно каждые 24 часа). Говоря очень упрощенно, именно циркадные ритмы определяют когда мы чувствуем бодрость и когда сонливость. В 2017 году Нобелевская премия по медицине была вручена трем ученым (Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash, Michael W. Young, рисунок 2) за их открытие молекулярных механизмов, контролирующих циркадные ритмы [2].
Циркадные ритмы управляются многими обстоятельствами, среди них — физическая активность, состав и режим питания, и многое другое. Но самой важной «движущей силой» циркадных ритмов является свет, и в частности солнечный свет. Давайте рассмотрим немного подробнее как же это все работает.
Что происходит когда мы просыпаемся? В первую очередь мы открываем глаза. Глаз по праву считается одним из самых сложных сенсорных органов нашего организма. Меня всегда восхищало к какому элегантному решению пришла эволюция, решая проблему необходимости восприятия электромагнитных волн. Чтобы не загружать читателей слишком большим объемом информации в одном посте (о глазах можно делать отдельный курс), отметим, что на внутренней оболочке глаза — сетчатке находится группа нервных клеток, которые называются ганглионарные клетки (retinal ganglion cells). Среди них ученые обнаружили особые светочувствительные клетки (melanopsin retinal ganglion cells), активирующиеся при свете определенной частоты и силы [3, 4].
Сигнал из этих нервных клеток направляется в специальную область головного мозга — супрахиазматическое ядро (suprachiasmatic nucleus — SCN). Данная область гипоталамуса отвечает за управление выработкой мелатонина — гормона сна, необходимого для нормального процесса засыпания. Важно отметить, что сам мелатонин вырабатывается эпифизом (pineal gland), или шишковидным телом — специальной эндокринной железой, расположенной в области четверохолмия среднего мозга. Принцип работы данной схемы изображен на рисунке 3 [5]. Насколько нам известно, светочувствительные клетки сетчатки — единственный прямой канал управления выработкой мелатонина.
Как мы уже отметили, светочувствительные клетки сетчатки реагируют на свет определенной частоты и силы. Оптимальным для этого является солнечный свет в период, когда солнце находится низко над горизонтом (на рассвете). Таким образом утром (позже качество света изменяется), примерно в первые 30 минут после пробуждения важно, чтобы свет попал на сетчатку. Примерно 2–10 минут утреннего солнца должно быть достаточно для большинства людей. При таких условиях биологические часы, регулирующие циркадные ритмы, установятся в правильном (естественном) режиме.
Принимая во внимание специфику Хабра, можно полагать, что многие пользователи поинтересуются, активируют ли искусственные источники света ганглионарные клетки. В определенной степени активируют, но не оптимальным образом. Можете провести следующий эксперимент: измерьте количество люкс (сейчас существует большое количество приложений для смартфонов, способных измерять данный показатель) солнечного света и искусственного источника, доступного для среднестатистического покупателя на рынке в данный момент. После этого несложно посчитать как долго нужно смотреть на искусственный свет. Но повторюсь еще раз, клетки сетчатки очень тонко настроены именно на солнечный свет определенной частоты и силы, к тому же солнце все еще бесплатно.
В заключении, хотелось бы напомнить, что техника безопасности — прежде всего. Если вам нужны (солнечные) очки, носите их; если у вас есть заболевания глаз (глаукома, дегенеративное заболевание сетчатки, дегенерация желтого пятна и т.д), скорее всего вам нужно избегать любого яркого света. Если у вас есть любые сомнения, нет ничего лучше, чем обратиться к специалисту за советом. Только вы ответственны за ваше здоровье, будьте умны и разумны.
Список источников
[1] Fattinger, S., de Beukelaar, T., Ruddy, K. et al. Deep sleep maintains learning efficiency of the human brain. Nat Commun 8, 15405 (2017).
[2] https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2017/summary/
[3] David M. Berson, Felice A. Dunn, & Motoharu Takao (2002). Phototransduction by Retinal Ganglion Cells That Set the Circadian Clock. Science, 295(5557), 1070–1073.
[4] Rollag MD, Berson DM, Provencio I. Melanopsin, Ganglion-Cell Photoreceptors, and Mammalian Photoentrainment. Journal of Biological Rhythms. 2003;18(3):227–234.
[5] Vosko AM, Colwell C, Avidan A. Jet lag syndrome: circadian organization, pathophysiology, and management strategies. Nat Sci Sleep. 2010;2:187–198
