Дин Буономано - Мозг – повелитель времени

Ограниченность таких экспериментов заключается в том, что участвующие в них люди, возможно, не полностью отключены от внешних сигналов. В пещерах существует собственная биосистема; к примеру, там живут летучие мыши и насекомые, по поведению которых можно понять или почувствовать время на поверхности. Так, Сифр рассказывал о своих неудавшихся попытках подружиться с жившей в пещере мышью, а мышь, скорее всего, показывалась по ночам. Чтобы справиться с подобными ограничениями и избавить добровольцев и ученых от необходимости проводить долгое время в удалении от других людей, биологи осуществляют эксперименты в специализированных лабораториях или в бункерах.

В 1985 г. были опубликованы результаты экспериментов, в ходе которых 42 добровольца находились в изоляции от одной недели до одного месяца. В бункерах они жили в одиночных помещениях и не получали никакой информации относительно времени во внешнем мире. Они сами готовили себе еду и могли самостоятельно включать и выключать свет. Они должны были сообщать о времени пробуждения и отхода ко сну, а температуру их тела постоянно контролировали. По оценкам большинства участников эксперимент длился на 20–40% времени меньше, чем на самом деле 47 47 Aschoff, 1985. См. также Czeisler et al., 1980; Lavie, 2001. . Как и в экспериментах в пещерах (и в отличие от экспериментов с грызунами), циркадный ритм людей часто сбивался.

Цикл сна и бодрствования – не единственное свидетельство существования биологических часов. Многие физиологические показатели изменяются в зависимости от времени суток. Например, температура человеческого тела не всегда равна строго 36,6 °C. Она колеблется вокруг этот значения, обычно достигая максимума ранним вечером. У многих участников экспериментов цикл изменения температуры фактически оставался равным 24 ч, даже когда продолжительность цикла сна и бодрствования скакала от 20 до 40 ч. Это означает, что внутри нас существуют разные часы, и они не всегда идут синхронно.

В глубине мозга каждого человека есть структура, называемая гипоталамусом. А в глубине гипоталамуса, над перекрестом нервов ( хиазмом ), несущих информацию от левого и правого глаза, располагается супрахиазматическое (надперекрестное) ядро .

В 1970-х гг. стало известно, что у грызунов с повреждением супрахиазматического ядра полностью нарушается циркадный ритм сна и бодрствования. Они спят отрывочно как в ночное, так и в дневное время. Эти первые наблюдения позволили предположить, что супрахиазматическое ядро управляет циркадным ритмом. Доказательства появились в 1980-х гг. в результате серии новых экспериментов. Один из самых захватывающих экспериментов заключался в трансплантации мозга 48 48 Ralph et al., 1990; Weaver, 1998. . У хомяков со свободным циркадным ритмом суточный цикл сна и бодрствования практически равен 24 ч. Однако существует мутация, приводящая к сокращению цикла до 20 ч. Если супрахиазматическое ядро действительно отвечает за циркадный ритм, по мнению ученых, пересадка этого органа может привести к смене 20- часового цикла на 24-часовой цикл.

Вообще говоря, подобного рода манипуляции с головным мозгом возможны только в научно-фантастической литературе. Однако супрахиазматическое ядро устроено достаточно просто и относится к тем немногочисленным отделам мозга, трансплантация которых вполне реальна. В отличие от большинства отделов мозга супрахиазматическое ядро является четко идентифицируемой структурой и получает сигналы всего из нескольких других областей. Кроме того, оно сообщается с другими частями мозга не только посредством электрических импульсов через хрупкие аксоны, которые не очень хорошо регенерируют, но и выделяет гормоны непосредственно в кровоток.

Исследователи повреждали супрахиазматические ядра хомяков двух типов и каждому типу пересаживали клетки другого типа. В результате они превратили хомяков с 24-часовым циклом в хомяков с 20-часовым циклом и наоборот. Таким образом, не тело или мозг хозяина управляют циркадным ритмом супрахиазматического ядра; все наоборот: небольшая группа из 10 000 супрахиазматических нейронов берет на себя контрольную функцию и сообщает хозяину, когда ему следует отправляться спать, а когда пора вставать и крутить колесо.

Является ли наличие головного мозга обязательным условием для существования циркадного ритма? Вовсе нет. Следование световым и температурным изменениям, вызванным вращением Земли, а также их предвидение играют настолько важную роль, что биологическими часами снабжены практически все живые существа.

Самые первые эксперименты по изучению свободного циркадного ритма проводились на растении мимоза стыдливая ( Mimosa pudica ), которое днем раскрывает листья, подставляя их к солнечному свету, а ночью закрывает. В 1729 г. французский астроном Жан-Жак Дорту де Меран перенес мимозу в темную комнату и обратил внимание, что на протяжении многих дней растение продолжало раскрывать и закрывать листья в соответствии с истинным временем суток. По-видимому, сам ученый не очень доверял своим результатам. Во времена де Мерана одна из важнейших научных задач заключалась в поисках способов определения времени суток в море, и трудно было поверить, что какое-то примитивное растение обладает собственным часовым механизмом. Де Меран заключил, что поведение растения определяется какими-то иными сигналами, такими как температура или неизвестные магнитные влияния, которые заставляют его раскрывать и закрывать листья. Ученым понадобилось более 200 лет, чтобы понять, что все растения и животные имеют внутренние часы, и даже индивидуальные клетки осциллируют в 24- часовом ритме.

Когда мы говорим, что индивидуальные клетки осциллируют, мы не имеем в виду, что они физически вибрируют, подобно кристаллам кварца, или раскачиваются вперед и назад, как маятник. В данном случае под осцилляцией понимают изменение концентрации внутриклеточных белков. Клетки – не статичные образования. В зависимости от выполняемой в конкретный момент работы в них очень сильно меняется концентрация различных белков. Например, клетки выстилки кишечника усиливают выработку пищеварительных ферментов каждый раз, когда мы едим. Аналогичным образом, при повышении концентрации глюкозы в крови клетки поджелудочной железы активируют синтез белков, задействованных в производстве инсулина.

Но клетки руководствуются не только внешними стимулами, у них есть свой внутренний ритм. Как и мыши, индивидуальные клетки тоже обладают свободным ритмом. При постоянстве температуры и биологической среды многие клетки придерживаются собственного циркадного ритма, что видно по увеличению и снижению концентрации некоторых белков в 24-часовом режиме. Наблюдать за этими осцилляциями можно с помощью хитроумных генно-инженерных манипуляций.