Сон под микроскопом. Что происходит с нами и мозгом во время сна

Другой, более актуальный и знакомый большинству пример – джетлаг. До изобретения самолетов синдром смены часового пояса не был известен и едва ли мог проявляться и влиять на нас. Что может быть более удручающим, чем раннее пробуждение на следующий день после трансатлантического перелета из Европы в Америку: находите себя в постели среди ночи, знаете, что не выспались, и одновременно понимаете, что сна нет ни в одном глазу и заснуть просто невозможно. Феномен джетлага возникает из-за рассогласования между внутренним временем, которое диктуется биологическими часами, и временем «снаружи». Или, наоборот, в зависимости от того, когда произошло приземление, ваш организм требует сна, а за окном светит солнце, вы готовитесь к важному докладу на совещании и впереди предстоит долгий вечер разговоров и обильный ужин, который не совсем уместен в пять часов утра по внутренним часам.

Путь к пониманию того, откуда берутся биологические ритмы, был долгим и тернистым. Термин «циркадианные ритмы» предложил американский ученый Франц Халдберг в 1959 году. Он, один из основоположников современной хронобиологии, умер в 2013 году, так и не получив Нобелевской премии, на которую его неоднократно номинировали. К середине прошлого века не осталось никаких сомнений, что такие ритмы – фундаментально важный биологический процесс, который реально существует, а не просто артефакт измерений или нечто, что возникает само по себе пассивно как ответ на внешние изменения. Существование биоритмов было установлено на лабораторных животных еще в 1920-х годах, когда ученые заметили, что активность и покой животных происходят примерно в одно и то же время, независимо от условий, в которых подопытные находились, – в совершенной темноте, например, но при постоянной температуре и непрекращающемся доступе к пище и воде.

Подобные наблюдения, в которых участвовали люди, на протяжении нескольких десятилетий проводились другим основателем хронобиологии Юргеном Ашоффом[51]. В конце 1950-х исследователь увлекся серией уникальных бункерных экспериментов, в которых изолированные от внешней временнóй информации участники жили только по собственным биологическим часам. Ашофф, кстати, начал исследования с себя и провел довольно много времени в бункере. Воспитав множество учеников – пионеров хронобиологии, – ученый внес огромный вклад в современные представления о биологических часах, уточнив, что «внутренние сутки» человека редко равны в точности 24 часам. Их период или меньше, или больше, и каждый день осуществляется подстройка – световая адаптация к земным суткам. Как происходит этот процесс? Для этого необходимо совершить небольшую виртуальную экскурсию в молекулярные и нейроанатомические механизмы биологических часов.

Экскурс в механизм биологических часов

Ключевым моментом в функционировании молекулярных биологических часов является существование так называемой отрицательной обратной связи. Это знакомое каждому явление, стоит только вспомнить о термостате, приборе, который поддерживает определенную температуру в жилом доме, например. Уменьшение температуры ниже установленной запускает обогрев, а при достижении нужного значения обогреватель выключается; затем цикл повторяется – снова и снова. В этом примере температура – и регулируемый, и регулирующий фактор. Чем выше ее установить, тем скорее включится обогреватель. Многие физиологические процессы используют принцип отрицательной обратной связи, чтобы поддерживать постоянство внутренней среды – так называемая гомеостатическая регуляция. Например, похожим образом настраивается и гомеостатический механизм для регуляции сна: чем дольше человек или любой живой организм не спит, тем в большей степени проявляется необходимость сна, и, наоборот, чем дольше мы спим, тем меньше потребность во сне. Но вернемся к биологическим ритмам.

Отрицательная обратная связь осуществляется через контроль экспрессии генов – процесса, который влияет на преобразование генетической информации в продукт – белки или РНК, длинную цепь рибонуклеиновой кислоты. Ученые обнаружили, что перенос информации с ДНК на РНК, или транскрипция некоторых генов, происходит ритмически. Информация, «записанная» в виде последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК – дезоксирибонуклеиновой кислоты, – должна транскрибироваться, то есть переписываться на молекулу РНК в такой форме, которую может интерпретировать механизм синтеза белка. На этом этапе РНК транспортируется из ядра клетки в сложное мембранное образование внутри клетки – эндоплазматическую сеть (ретикулум), – где происходит следующий важный этап – трансляция. Трансляция – это собственно синтез белка, который состоит в том, что генетический код, записанный в РНК, определяет последовательность аминокислот в полипептидной цепи. После того как белок построен, он должен определенным образом свернуться, приняв некоторую трехмерную структуру[52], которая в конечном счете и определяет его функцию, предназначение и последующую судьбу.