Циркадные ритмы у животных и человека (физиология, механизм регуляции, нарушения, патология, коррекция)

Введение

Регуляция сна обрабатывается гомеостатической физиологией циркадного ритма, цикла сна / бодрствования. Циркадный ритм - это 24-часовые внутренние часы в нашем мозге, которые регулируют циклы бодрствования и сонливости, реагируя на изменения в окружающей среде. Наша физиология и поведение определяются вращением Земли вокруг своей оси. Эта биологическая циркадная система эволюционировала, чтобы помочь людям адаптироваться к изменениям в окружающей среде и предвидеть изменения в радиации, температуре и доступности пищи. Без этих эндогенных циркадных часов HomoSapiens не смогут оптимизировать расход энергии и внутреннюю физиологию тела.

Проблемы концерна

Сон - это жизненно важная деятельность, которая необходима для правильной работы каждого организма. Недостаток сна или плохой сон могут оказать существенное влияние на различные основные повседневные функции человека и животных. Консолидация памяти, регенерация тела и метаболическая регуляция происходят во время цикла сна. Этот цикл сна-бодрствования может влиять на привычки питания, пищеварение, температуру тела, выделение гормонов и другие функции организма. Вредные воздействия на сон могут негативно повлиять на способность человека нормально функционировать и могут привести ко многим расстройствам. Различные хронические состояния здоровья, связанные с нерегулярными циркадными ритмами, включают:

диабет
ожирение
депрессию
биполярное расстройство
сезонное аффективное расстройство
другие нарушения сна

Клеточное механизмы регуляции циркадных ритмов человека и животных

Изучение взаимосвязи между циркадными ритмами в организме человека и животных и его клеточной биологией необходимо для понимания основополагающей физиологии и патологии при заболеваниях. Нарушения в возрасте, окружающей среде или генетические мутации могут оказывать неблагоприятное воздействие на клеточные функции и здоровье организма. Циркадный ритм использует петли положительной и отрицательной молекулярной обратной связи как механизм, регулирующий их экспрессию. Существует несколько идентифицированных часовых генов, BMAL1 / BMAL2, CLOCK, CRY1 / CRY2 и PER1 / PER2 / PER3, которые регулируют и контролируют транскрипцию и трансляцию. Экспрессия этих основных генов часов внутри клетки влияет на многие сигнальные пути, что позволяет клеткам определять время суток и выполнять соответствующую функцию. Кроме того, фосфорилирование основных часовых белков приводит к деградации, чтобы поддерживать синхронизацию 24-часового цикла. Наличие циркадных ритмов в клетках с ядрами и без них указывает на то, что молекулярные часы автономны и внешние сигналы могут использоваться для регуляции.

Развитие системы циркадной регуляции у человека и животных

Развитие циркадной системы происходит у млекопитающих постнатально. Плод не подвергается воздействию внешних раздражителей, когда находится в утробе матери, и, таким образом, новорожденные рождаются с незрелой функционирующей системой. Установление 24-часовых циркадных ритмов происходит в течение первых 4 месяцев жизни, поскольку новорожденный испытывает быстрые физиологические изменения и адаптируется к окружающей среде. Поскольку внутренняя температура тела является одной из наиболее жестко регулируемых систем, отклонения, помимо прочего, свидетельствуют об установлении циркадного ритма. Минимальные отклонения происходят в матке, но в первые несколько недель жизни начинается восприятие дневных и ночных различий. Пики температуры тела также начинают проявляться как раз перед началом и в первые несколько часов сна. Мелатонин, критически необходимый гормон для постоянного установления циркадных ритмов, появляется в возрасте около 3 месяцев. Производство кортизола, ключевой показатель правильного функционирования циркадного ритма, может происходить уже в возрасте от 8 недель до 9 месяцев. Поскольку младенцы испытывают быстрые физиологические изменения сразу после рождения, отклонения температуры тела, а также выработка мелатонина и кортизола позволяют ребенку установить стабильный циркадный ритм.

Участие органных систем организма в регуляции циркадных ритмов

Нарушение циркадного ритма может иметь серьезные последствия для здоровья многих систем органов, включая иммунную, репродуктивную, желудочно-кишечную, скелетную, эндокринную, почечную и сердечно-сосудистую системы. Центральные часы, или супрахиазматическое ядро (SCN), не являются единственным внутренним механизмом контроля, поскольку недавние открытия выявили наличие вторичных или периферических осцилляторов по всему телу в ряде органов, таких как сердце, печень, почки, легкие, кишечник, кожа, лимфоциты, пищевод, селезенка, тимус, надпочечник, простата и обонятельная луковица. Несмотря на независимость, эти вторичные часы по-прежнему синхронизируются с SCN и другими факторами, такими как температура, время приема пищи, а также внешние сигналы.

Функция циркадных регулирующих ритмов организма

Цикл сна / бодрствования необходим для пополнения и оздоровления организма, чтобы он мог нормально функционировать. Правильный сон позволяет организму задействовать циркадные ритмы в организме, что инициирует накопление запасов энергии для метаболических процессов, ремоделирование нейронов для синаптической функции, консолидацию памяти и ассимиляцию сложных двигательных систем. Центральная нервная система (ЦНС) играет важную роль во время цикла сна. В результате активации циркадной системы ретикулярная активирующая система (РАС) в стволе головного мозга не способна вызывать сон. Регуляция сна отличается балансом между внутренним гомеостазом сна (процесс S) и внешним циркадным двигателем (процесс C).

Механизм регуляции циркадного ритма

Циркадный кардиостимулятор - это супрахиазматическое ядро (SCN) гипоталамуса. Когда тело переходит от светлого к темному, оно посылает сигналы в ретиногипоталамический путь шишковидной железы. Во время светового цикла аксоны из ганглиозных клеток сетчатки доставляют сигналы, которые активируют супрахиазматическое ядро через черепной нерв II, зрительный нерв. Затем SCN доставляет сигнал через ингибирующий нейромедиатор GABA (гамма-амино-масляная кислота), который ингибирует паравентрикулярное ядро. Впоследствии аксоны посылают импульсы через промежуточный боковой столб, чтобы ингибировать верхний цервикальный ганглион, тем самым подавляя симпатическую нервную систему. В результате мелатонин не попадает в шишковидную железу в кровообращение. Когда наступает ночь, уход света сигнализирует о том, что ганглиозные клетки сетчатки ингибируют супрахиазматическое ядро, активируя паравентрикулярное ядро, которое затем направляет аксоны через промежуточное латеральное ядро (IML) в верхний цервикальный ганглион, стимулируя симпатическую нервную систему, которая вызывает сонливость. Шиповидная железа мобилизуется для выделения мелатонина в кровоток.

Диагностика и тестирования функции циркадного ритма

Лучший метод измерения циркадного ритма включает в себя мониторинг температуры тела и уровня мелатонина в слюне / уровня мелатонина в плазме. Оценочная шкала, опросник по утренним и вечерним условиям (MEQ), также может быть использована для оценки циркадной картины. Неинвазивная, но менее распространенная методика мониторинга, актиметрия, исследует цикл активности / отдыха человека. Другие долгосрочные исследования включают использование полисомнографии и ЭЭГ.

Патфизиология нарушений циркадных ритмов

Экологические сигналы индивидуума, также известные как дух времени, управляют эндогенным процессом циркадного ритма. Взаимосвязь между физиологическими и поведенческими сигналами (время сна, прием пищи, работа / социальные взаимодействия) влияет на время цикла сна-бодрствования. Нарушения в цикле сна человека могут оказать существенное пагубное влияние на их общее состояние здоровья. Неритмические регуляции температуры тела, уровня кортизола и секреции мелатонина являются индикаторами нарушений. Поскольку колебания температуры тела происходят систематически во время цикла сна / бодрствования, отклонения от этого цикла могут свидетельствовать о начале заболевания или о гнусном присутствии какого-либо внешнего фактора. Под контролем SCN через паравентрикулярное ядро гипоталамуса секреция кортизола является ритмичной, поэтому перепроизводство кортизола может подавлять способность человека вызывать сон. Аналогичным образом, недостаточное производство мелатонина может негативно повлиять на способность засыпать.

Клиническое значение нарушений циркадных ритмов

Нарушения сна, связанные с циркадным ритмом, часто игнорируются и могут оказывать вредное воздействие на организм человека. Нарушения сна, связанные с циркадным ритмом, обычно проявляются как несоответствие между сроками сна человека и физическим / социальным 24-часовым циклом окружающей среды. Двумя более распространенными нарушениями сна циркадных ритмов являются продвинутая фаза сна (раннее начало, часто встречается у пожилых людей) и задержка фазы сна (позднее, часто встречается у подростков). Эти два диагноза часто ошибочно диагностируются как бессонница или чрезмерная сонливость, но это совершенно разные расстройства, возникающие в результате нарушения синхронизации цикла сна / бодрствования. К людям, склонным к развитию расстройств сна, связанных с циркадным ритмом, относятся люди, работающие в вечерние смены или имеющие нерегулярные графики смен и слепые. Слепые люди подвержены развитию этих типов расстройств из-за неспособности организма воспринимать свет и, следовательно, устанавливать циркадные ритмы. В то время как у слепых людей есть путь в мозге, который функционирует как часы их тела, примерно половина слепых людей испытывает не-24-часовое нарушение ритма сна и бодрствования, во время которого их циклы сна становятся позже каждую ночь, перепрыгивают или приводят к просыпаться позже в тот же день.

Нерегулярное нарушение ритма сна и бодрствования , хотя и редкое, встречается у людей, страдающих неврологическими расстройствами, такими как деменция, умственная отсталость и повреждение головного мозга. Это расстройство характеризуется чрезмерной вовлеченностью в сон в дневное и ночное время, отсутствием четкого режима сна, трудностями в поддержании крепкого сна, слабостью во время бодрствования и неспособностью поддерживать количество сна, необходимое для их возраста. Сменное рабочее расстройство возникает, когда у людей ранние утренние, ночные или сменные смены, которые нарушают их нормальный 24-часовой цикл сна / бодрствования. Эти люди испытывают крайнюю усталость и подвергаются большему риску травм на рабочем месте и когнитивных нарушений из-за сна в среднем 4 часа или менее в ночь. При путешествии через несколько часовых поясов диссоциация внутренних часов и времени окружающей среды может привести к так называемой смене часовых поясов. Искусственное освещение от компьютеров, телевизоров, мобильных телефонов и других электронных устройств также может влиять на способность организма поддерживать надлежащие циркадные ритмы. Накапливающиеся данные демонстрируют связь между циркадной ритмикой и расстройствами регуляции настроения, такими как сезонное аффективное расстройство. Симптомы, типичные для пациентов, страдающих депрессией, часто могут быть связаны с нарушением циркадными ритмами этого человека. Лечение этих нарушений включает фармакологический подход в сочетании со светотерапией и создание эффективного, стабильного графика сна / бодрствования.

Использованная литература

Khan S, Nabi G, Yao L, Siddique R, Sajjad W, Kumar S, Duan P, Hou H. Healthrisksassociatedwithgeneticalterationsininternalclocksystembyexternalfactors. Int. J. Biol. Sci. 2018;14(7):791-798.
Rivkees SA. TheDevelopmentofCircadianRhythms: FromAnimalsToHumans. SleepMedClin. 2007 Sep 01;2(3):331-341.
Potter GD, Skene DJ, Arendt J, Cade JE, Grant PJ, Hardie LJ. CircadianRhythmandSleepDisruption: Causes, MetabolicConsequences, andCountermeasures. Endocr. Rev. 2016 Dec;37(6):584-608.
Bass J, Takahashi JS. Circadianrhythms: Redoxredux. Nature. 2011 Jan 27;469(7331):476-8.
Monk TH. Enhancingcircadianzeitgebers. Sleep. 2010 Apr;33(4):421-2.
Duffy JF, Czeisler CA. EffectofLightonHumanCircadianPhysiology. SleepMedClin. 2009 Jun;4(2):165-177.
McHill AW, Hull JT, Wang W, Czeisler CA, Klerman EB. Chronicsleepcurtailment, evenwithoutextended (>16-h) wakefulness, degradeshumanvigilanceperformance. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2018 Jun 05;115(23):6070-6075.

^Наверх