Cronobiologie Ceasuri interioare în timp Societatea Max Planck
Ludwig al doilea din Bavaria este un exemplu impresionant de cât de diferit poate ceasul intern al oamenilor: Potrivit unor surse istorice, monarhul își desfășura activitatea de guvernare noaptea, dar dormea în cea mai mare parte a zilei. Gregor Eichele poate specula doar dacă regele basmului a suferit de o tulburare care i-a încurcat ritmul somn-veghe. Împreună cu echipa sa de la Institutul Max Planck pentru Chimie Biofizică din Göttingen, el a câștigat multe noi cunoștințe despre modul în care funcționează ceasurile naturale ale corpului nostru.
Șoarecele în roata hamsterului: ritmul somn-veghe al animalelor este, de asemenea, ceasut de ceasuri interne.
„Ritmul somn-veghe este indisolubil legat de ceasul nostru intern”, spune Gregor Eichele, care conduce departamentul „Gene și comportament” la Institutul Max Planck din Göttingen. Eichele știe din experiența personală cât de puternic este ceasul intern La urma urmei, de ani de zile el însuși a făcut naveta regulată între Germania și SUA. În calitate de cercetător, ceasul circadian a fost de mult una dintre pasiunile sale științifice.
În fiecare zi, milioane de oameni simt că somnul și ceasul intern sunt strâns legate: Astăzi, călătorii aerieni traversează mai multe fusuri orare în câteva ore. O consecință frecventă: ceasul intern iese din pas. Alții se plâng de insomnie când ceasul este schimbat de la vară la iarnă cu doar o oră. Chiar și cu modificări presupuse minore, poate dura câteva zile pentru ca ceasul extern să ruleze din nou sincronizat cu ceasul intern și pentru ca cei afectați să doarmă din nou ca de obicei.
„Cu toate acestea, somnul și ceasul intern sunt fundamental diferite: în timp ce somnul este o performanță a întregului organism, ceasul intern este o proprietate a celulelor individuale”, subliniază Eichele. În același timp, ambii se influențează reciproc. Un exemplu: Rețelele și substanțele nervoase precum oxitocina și alte neuropeptide care reglează somnul se află sub controlul ceasului circadian cu ritmul său de 24 de ore. Prin urmare, este o condiție esențială pentru noi să putem adormi la momentul potrivit.
Termenul „circadian” este derivat din latina circa (aproximativ) și aceasta (zi). Exprimă faptul că ceasul intern oscilează doar aproximativ la fiecare 24 de ore. De exemplu, o persoană poate avea un ceas circadian cu un ritm de 24,7 ore. Dacă ar locui într-o cameră luminată constant timp de câteva săptămâni, ar începe să doarmă cu 42 de minute mai târziu decât în ziua precedentă. Doar condițiile de mediu - în primul rând lumina - acționează ca un temporizator pentru a calibra ceasul intern exact la 24 de ore.
Acest sistem aparent greoi există deoarece alternanța zilnică a zilei și a nopții nu este suficientă pentru a menține procesele din corpul nostru în ritm. Acest lucru devine imediat clar când vă uitați la ritmul întunecat-luminos al vieții noastre moderne: dacă ritmurile noastre fiziologice ar fi doar o reacție la prezența sau absența luminii, fiecare seară lungă cu toate sursele sale de lumină artificială ar fi catastrofală pentru metabolismul nostru și pentru Afectează ritmul somn-veghe. În schimb, ceasul nostru intern semnalează că acestea sunt semnale de timp externe false și astfel mențin organismul stabil în timp.
Ceasul circadian a apărut probabil chiar la începutul evoluției. Chiar și primele organisme unicelulare din oceanele primordiale ar fi putut beneficia dacă ar fi putut prezice răsăritul soarelui și scufunda în straturi de apă mai adânci în timp util. În acest fel, au scăpat de radiația UV de la soare, care în acel moment era încă în mare parte nefiltrată. În întunericul mării adânci, ceasul semnaliza microbii din nou când era timpul să iasă la suprafață.
„Avem un adevărat magazin de ceasuri”, spune Gregor Eichele. Ca elvețian, el este într-un fel predestinat pentru analiza unor astfel de instrumente.
Odată ajuns în lume, aproape toate ființele vii și-au păstrat mecanismul de ceas circadian intern: este logic ca plantele să efectueze fotosinteza numai în timpul zilei. La mamiferele diurne precum oamenii, temperatura corpului crește înainte de a se trezi. Dimineața, eliberarea hormonului de stres cortizol atinge apogeul și astfel crește performanța fizică și mentală. Metabolismul, tensiunea musculară, funcția rinichilor și capacitatea de concentrare fluctuează, de asemenea, pe parcursul unei zile.
Fiecare celulă, fiecare țesut, fiecare organ, precum și întregul organism are un mecanism de ceas molecular - fie în ficat sau rinichi, inimă sau intestin, sistem imunitar sau piele. „Deci avem un adevărat magazin de ceasuri”, explică Eichele - ca elvețian, într-o anumită măsură predestinat pentru analiza unor astfel de instrumente. Pentru ca toate ceasurile să arate întotdeauna aceeași oră, acestea trebuie sincronizate permanent între ele, fiecare ceas de celulă, precum și ceasurile de organe - și întregul organism cu ciclul de lumină/întuneric de 24 de ore al mediului.
Cel mai important ceas se află în creier, în așa-numitul nucleu suprachiasmatic. La om, 50.000 de celule nervoase strâns legate, care sunt interconectate cu neuronii din diferite alte regiuni ale creierului, se colectează în acest nucleu. Nucleul primește semnale de la celulele senzoriale specializate din ochi prin intermediul fibrelor nervoase fine. Când lumina lovește un pigment sensibil la lumină în celulele senzoriale ale retinei, acestea generează un semnal electric și îl transmit nucleului suprachiasmatic.
Hamsterii, de exemplu, își pierd ritmul circadian fără nucleul suprachiasmatic. Oamenii de știință au măsurat acest lucru prin plasarea unei roți rulante în cușca animalelor și a rotațiilor roții ca.
Măsurarea activității hamsterului înregistrată. De obicei, hamsterii sunt activi în primul rând înainte de răsărit și după apus. În schimb, fără un nucleu suprachiasmatic, aceștia au funcționat cu o frecvență similară atât ziua cât și noaptea. În schimb, animalele nu au dormit mai mult decât de obicei.
Această constatare a sugerat că nucleul, în calitate de generator de ceas primar, își transmite informațiile către toate celelalte ceasuri din celulele, țesuturile și organele corpului și le sincronizează atât cu cursul zilei, cât și între ele. Dar, după cele mai recente experimente, această teorie a șovăit: echipa lui Eichele a modificat genetic șoarecii în așa fel încât importanta genă de ceas Bmal1 din nucleul suprachiasmatic este inactivă. Diferența față de studiile asupra hamsterilor: conexiunile la și de la nucleu nu sunt tăiate, dar rămân. Conform teoriei, haosul ar trebui să izbucnească în lumea ceasului interior al animalelor.
Dar nu o face! „S-a demonstrat că celelalte ceasuri circadiene rămân în ritm chiar și fără ceasul central din nucleul suprachiasmatic”, explică Eichele - cel puțin în condiția în care lumina și întunericul alternează la fiecare 24 de ore. Dacă șoarecii nu au gena ceasului și trăiesc într-un întuneric permanent, pe de altă parte, apare o tulburare: aceștia au probleme atunci când își păstrează sincronizarea ceasurilor interne.
Prin urmare, corpul are absolut nevoie de alternanța naturală lumină-întuneric ca temporizator. Ceasul circadian poate calibra aportul de alimente la exact 24 de ore - dar duce doar la temporizatoare interne sincrone. Aparent, sistemul de ceasuri este organizat ca un stat federal pe care guvernele individuale ale statului îl pot continua, chiar și atunci când guvernul federal este slab. „În cele din urmă, acest sistem este mai stabil decât unul care se bazează exclusiv pe nucleul suprachiasmatic”, spune Eichele.
Dar cum se sincronizează ceasurile interne fără stimulatorul cardiac central din creier? O posibilitate este ca ceasurile corpului să primească informații luminoase/întunecate din nucleul suprachiasmatic, deoarece cercetătorii au dovedit că lumina poate activa genele ceasului în organe precum ficatul prin sistemul nervos autonom.
Dacă nucleul lipsește, se usucă și semnalele luminoase care se deplasează de la ochi la corp. Deci, lumina nu mai poate influența sistemul nervos vegetativ - și, în consecință, nici ceasurile corpului. Deoarece oamenii de știință de la Göttingen nu opresc întregul nucleu nervos, ci doar o singură genă de ceas, semnalele luminoase pot continua să ajungă și să sincronizeze celelalte ceasuri din corp prin intermediul nucleului. Se pare că semnalele nu trebuie să fie preprocesate în celulele sale de ceas.
Dar este, de asemenea, posibil ca alte ceasuri importante din creier să pătrundă direct în nucleul suprachiasmatic și să sincronizeze ceasurile corpului. Un candidat pentru acest lucru ar fi glanda pituitară. De asemenea, ea primește semnalele luminoase din ochii ei. Glanda din partea inferioară a creierului eliberează hormonul ACTH în sânge, de unde este spălat în glandele suprarenale și de unde declanșează eliberarea de cortizol, adrenalină și noradrenalină.
Cilia ne reglează somnul în creier? Un sistem de cavități rulează adânc în creierul uman: patru cavități numite „ventricule” care sunt conectate prin canale. Lichidul cerebral curge în ele. Printre altele, conține neuropeptide, care, de exemplu, ne obosesc. Nucleul suprachiasmatic implicat în ceasul intern este situat lângă un astfel de ventricul. Oamenii de știință de la Institutele Max Planck pentru chimie biofizică și pentru dinamică și autoorganizare au descoperit recent că extensiile asemănătoare genelor - așa-numitele cili - de pe celulele peretelui ventriculelor își pot schimba direcția de accident vascular cerebral și, astfel, direcția de curgere a fluidului cerebral. În anumite momente ale zilei, produc chiar vârtejuri care acționează ca niște bariere. Nu s-a stabilit încă definitiv dacă distribuția fluidului și, în consecință, neuropeptidele care induc somnul urmează de fapt un ritm circadian. Odată cu descoperirea lor, cercetătorii ar putea fi pe urmele unui mecanism complet nou, care nu se bazează pe activitatea celulelor nervoase, ci doar pe activitatea celulelor de perete ale ventriculilor creierului.
Se știe că acești hormoni de stres sunt temporizatori importanți pentru ceasurile interne. Eichele și echipa sa au descoperit că șoarecii cu o genă de ceas defectă eliberează hormonul corticosteron ritmic pe parcursul zilei - aproape ca șoarecii normali sincronizați cu celelalte ceasuri ale corpului. Acest hormon corespunde cortizolului la om. "Deci, dacă nucleul suprachiasmatic eșuează ca un ceas, corticosteronul poate sincroniza ceasurile corpului", conchide Eichele. Acest lucru sugerează că temporizatorul intern din glandele suprarenale este aproape la fel de important ca și ceasul din nucleul suprachiasmatic.
Dar nu numai lumina, somnul influențează și ceasurile din țesuturile și organele corpului. „Dar trebuie să fii deranjat, nu trebuie să ai stres și trebuie să poți dormi oricând dorești. Cu alte cuvinte, în funcție de cronotipul dvs. personal, care determină dacă vă culcați devreme sau târziu și dormiți scurt sau mult timp ", explică Henrik Oster de la Universitatea din Lübeck, care a condus un grup de cercetare la Institutul Max Planck din Göttingen până la sfârșitul anului 2012.
De la perioada petrecută în Göttingen, Oster și colegii săi au cercetat cum sunt legate somnul, ceasul intern și metabolismul. Ei au observat, de exemplu, că atunci când somnul este deranjat, ficatul și celulele grase ale șoarecilor nu mai bifează sincron. Oamenii de știință încearcă în prezent să afle dacă ritmul celulelor din alte organe, cum ar fi rinichii, este, de asemenea, decuplat.
Există, de asemenea, multe indicații că un somn deranjat poate perturba, de asemenea, metabolismul prin intermediul ceasului intern. Oster și colegii săi de la Institutul Max Planck, de exemplu, au scos din sincronizare ritmul somnului și, astfel, ceasul intern: cercetătorii au oprit șoarecii să se culce dimineața, plasând jucării în cuștile animalelor. După câteva zile a devenit evident că tulburarea de somn afectează ceasul intern al organelor periferice. Acestea nu mai pot activa și dezactiva corect gene metabolice importante.
Un exemplu al unei astfel de tulburări metabolice este așa-numita lipază hormonal-sensibilă. În mod normal, ceasul circadian se asigură că această enzimă a celulelor grase este activă în faza de somn. Apoi descompune grăsimile stocate de care organismul are nevoie pentru a face timp fără alimente. Deoarece lipaza nu mai este la fel de activă în tulburările de somn, abia dacă sunt eliberate grăsimi în organism. „Deoarece nivelul zahărului din sânge scade în aceste condiții, există o criză energetică: animalele se înfometează”, spune Oster. Așa că șoarecii încep să mănânce, ceea ce le tulbură cu adevărat somnul. Acest lucru creează un cerc vicios în timpul căruia animalele se îngrașă din ce în ce mai mult. În plus, hormonii gastrici reglează ceasul ficatului atunci când ficatul mănâncă în timpul somnului. Acest lucru duce la metabolismul ficatului devenind din ce în ce mai deraiat.
Poate corpul să compenseze cumva acest haos metabolic? Răspunsul: în anumite circumstanțe! Echipa Oster a deranjat șoarecii în timp ce dormeau și le-a permis accesul la alimente doar în timpul fazei lor normale de veghe. Dar apoi puteau mânca cât doreau. „Asta a normalizat activarea genelor ceasului în ficat”, spune Oster. Deci, atunci când mănânci pare a fi un factor foarte important în dezvoltarea obezității și a bolilor metabolice.
Cercetătorii de la Lübeck au observat, de asemenea, că genele ceasului provoacă, de asemenea, modificări ale metabolismului la om după lipsa de somn. Cu toate acestea, nu s-a dovedit încă dacă acest lucru poate duce de fapt la obezitate și diabet. Cu toate acestea, studiile asupra lucrătorilor în schimburi sugerează acest lucru.
În orice caz, experimentele cu șoareci arată în mod clar că somnul corect și aportul de alimente pot compensa multe dintre procesele metabolice deraiate și poate chiar inversa parțial. Acesta nu este singurul motiv pentru care Oster crede că stabilizarea ritmului interior poate fi un factor important în tratamentul bolilor metabolice. La urma urmei, toate aceste boli urmează un ritm zilnic puternic și pot fi influențate de stres. Somnul joacă un rol important: „Cei care dorm suficient și la momentul potrivit”, spune Oster, „sunt mai puțin predispuși la aceste boli”.
Somnul și ceasul intern sunt strâns legate: Dacă ceasul intern scade din pas, problemele de somn pot fi rezultatul. Iar cei care dorm prost sau neregulat își deranjează și ceasul intern.
Celulele și organele au, de asemenea, propriul lor ceas intern. Nucleul suprachiasmatic, o colecție de celule nervoase din creier, este un ceas central pentru alte ceasuri din corp. Dar acestea funcționează și fără el. Unii dintre ei primesc informații luminoase/întunecate direct prin ochi.
Tulburările de somn pot declanșa potențial tulburări metabolice prin perturbarea activității genelor ceasului. Acest lucru poate deranja procesele metabolice.