Всемирная организация здравоохранения считает сменную работу потенциально канцерогеном, говорит Эрик Херцог, доктор философии, профессор биологии в искусстве & Наук в Вашингтонском университете в Санкт-Петербурге. Луи. И это лишь один пример из многих проблем, которые мы сами себе причиняем, когда игнорируем биологические часы в нашем мозгу и вместо этого обращаем внимание на механические часы на наших запястьях.
В выпуске Neuron от 5 июня Херцог и его коллеги сообщают об открытии важной части биологических часов: проводки, которая устанавливает точность в пределах нескольких минут из 1440 минут в день. Эта проводка использует нейротрансмиттер, ГАМК, для соединения отдельных ячеек биологических часов в быструю сеть, которая меняет силу в зависимости от времени суток.
Суточные ритмы сна и метаболизма управляются биологическими часами в супрахиазматическом ядре (SCN), структуре мозга, состоящей из 20000 нейронов, каждый из которых может сохранять суточное (циркадное) время индивидуально.
Если SCN должна быть надежной, но чувствительной системой синхронизации, нейроны должны точно синхронизироваться друг с другом и подстраивать свои ритмы в соответствии с ритмами окружающей среды.
Лаборатория Герцога обнаружила в SCN двухтактную систему, которая одновременно. В 2005 году они сообщили, что нейроны в сети часов общаются посредством нейропептида (VIP), который заставляет их синхронизироваться друг с другом.
И, как они теперь сообщают в Neuron, эти нейроны также взаимодействуют с ГАМК, которая слабо на них воздействует, поэтому они не слишком тесно связаны.
Вместе эти две сети (VIP и GABA) гарантируют, что часы работают как согласованные и точные часы, но при этом они могут регулировать время для синхронизации с окружающей средой.
"Мы думаем, что сеть нейротрансмиттеров предназначена для внесения в систему достаточного количества джиттера, чтобы позволить нейронам повторно синхронизироваться при изменении сигналов окружающей среды, как это происходит с сезонами," Герцог говорит.
Но, по его словам, поскольку эта биологическая «кнопка перезагрузки» появилась задолго до появления механических часов, искусственного освещения и высокоскоростных путешествий, она не вносит достаточного дрожания, чтобы позволить нам быстро адаптироваться к экстремальным временным сдвигам современной жизни, таким как как летающий "назад" (восток) через несколько часовых поясов.
Понимание двухтактной системы в SCN имеет огромное значение для общественного здравоохранения, в частности, для перехода на летнее время, сменной работы, времени начала занятий в школе, графиков медицинских стажеров, часов работы водителей грузовиков и многих других проблем, в которых часы работают. мозг противопоставлен часам в руке.
Синхронизация сотовых часов
В "Часы" внутри каждого нейрона SCN зависит от циклической экспрессии семейства генов, таких как гены Period (PER). Экспрессия этих генов и частота активации нейронов обычно достигают пика в полдень и падают ночью. Генная активность похожа на шестеренки в часах, а электрическая активность – как стрелки на часах.
Каждый нейрон в SCN отслеживает время, но поскольку это разные клетки, у них немного разные ритмы. Некоторые бегают немного быстрее, другие немного медленнее. Если SCN в целом должен функционировать как часы, его нейроны должны синхронизироваться друг с другом.
Целью недавней работы в лаборатории Герцога было выяснить, как ячейки часов связаны друг с другом. "Например, было непонятно, общался ли каждый нейрон только с некоторыми из своих соседей или со всеми ими," Герцог говорит.
Марк Фриман, аспирант лаборатории, разработал метод регистрации скорости возбуждения около 100 нейронов одновременно на многоэлектродной решетке. "Вы осторожно опускаете нейроны SCN вниз," Герцог говорит, "и нейроны будут прикрепляться к электродам, создавая часы в блюде, которые будут отсчитывать недели или месяцы."
Используя эти наборы электродов, его лаборатория продемонстрировала, что нейроны в SCN синхронизируются за счет обмена нейропептида VIP (вазоактивный полипептид кишечника), который изменяет экспрессию PER для ускорения или замедления нейронов, пока все они не будут синхронизированы.
Эти синхронизированные сети очень точны, – говорит Херцог. Если вы позволите им свободно бегать в постоянной темноте, они потеряют или выиграют лишь несколько минут из 1440 минут в день. Таким образом, они точны в пределах 1-2%.
Но они очень немного отклоняются от 24-часового цикла, привязанного к одному повороту планеты вокруг своей оси. Со временем они будут отклоняться достаточно далеко от этого цикла, чтобы быть бесполезными для нас, если у них также не было средств синхронизации с местным временем.
Сброс сотовых часов
В статье, опубликованной в Neuron, Херцог и его коллеги сообщают о второй сети в биологических часах.
В этой сети связи осуществляются нейротрансмиттером ГАМК (гамма-аминомасляная кислота). "Мы доказали, что обнаружили ГАМКергическую сеть, применяя препараты, которые блокируют рецепторы ГАМК в клетках," Герцог говорит. "Все связи, которые мы установили между нейронами, пропали."
Примечательно, что при пропадании сети часы становятся точнее. Таким образом, сеть GABAergic дестабилизирует часы; это немного покачивает.
Херцог указывает, что ГАМКергическая сеть разреженная, слабая и быстрая (намного быстрее, чем сеть VIP, которая полагается на более медленное действие нейропептида), как и следовало ожидать от генератора джиттера.
"Мы думаем, что сеть GABAergic предназначена для того, чтобы наши часы могли приспосабливаться к сигналам окружающей среды, таким как постепенные сезонные изменения восхода и захода солнца," говорит Герцог.
Это немного похоже на стук старого телевизора, который потерял вертикальную синхронизацию, чтобы заставить его повторно синхронизироваться с вещательным сигналом.
Но в часах недостаточно джиттера, чтобы они могли делать резкие корректировки, такие как переход на один час вперед при переходе на летнее время. Что "прыгнуть вперед" Статистически доказано, что увеличивает вероятность сердечных приступов и автомобильных аварий, говорит Херцог.
Некоторые вспомогательные средства для сна, такие как бензодиазепины, которые активируют рецепторы ГАМК, могут сделать циркадные часы немного более нервными, помогая людям приспособиться к большим скачкам времени, таким как перелеты через часовые пояса. "Но мы еще не знаем, могут ли они уменьшить смену часовых поясов; если да, то мы хотим знать, потому ли это потому, что они помогают вам уснуть в долгом перелете, или потому, что они помогают биологическим часам приспособиться к новому часовому поясу," Херцог предостерегает.
В любом случае ясно, что если люди неоднократно принудительно сбрасывают часы, они скидывают больше, чем спать. Биологические часы регулируют метаболизм и деление клеток, а также циклы сна / бодрствования. Так, например, посменная работа связана как с метаболическими нарушениями, такими как диабет, так и с нерегулируемым делением клеток, характерным для рака.
Борьба с биологическими часами делает гораздо больше, чем делает нас раздражительными любителями кофе.