Дин Буономано - Мозг – повелитель времени

• Название: Мозг – повелитель времени
• Автор: Дин Буономано
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2019
• ISBN: 978-5-04-095335-6

Где хранятся наши воспоминания и можно ли предвидеть будущее? Человеческий мозг совершенно по-особому относится ко времени, отсюда и шестое чувство, и ощущение быстротечности и стремительности жизни. Как это работает, выяснил известный американский нейробиолог Дин Буономано с помощью результатов революционных исследований. Как же наш мозг ощущает и считывает время? Что такое чувство времени? Как связано оно с распознаванием речи и музыки? Можно ли на самом деле путешествовать во времени? Ответы – в этом бестселлере серии «Большая наука».

---

Весь день нейроны супрахиазматического ядра рассылают сигналы в различные отделы нервной системы56. Уровень активности этих нейронов косвенным образом отражается в том, спим мы или бодрствуем, а также служит калибровочным сигналом для определения реального времени суток (или того времени, которое супрахиазматическое ядро считает реальным временем суток). Подобно большинству клеток тела, нейроны супрахиазматического ядра существуют в полной темноте, глубоко в извилинах мозга. Поэтому возникает вопрос: откуда они знают правильное время – день сейчас или ночь?

На языке специалистов в области хронобиологии супрахиазматическое ядро тренируется под действием внешних сигналов – синхронизаторов (zeitgebers). Конечно же, самым мощным синхронизатором является солнечный свет. Совсем не случайно супрахиазматическое ядро расположено в месте пересечения правого и левого оптического нерва. Благодаря этому расположению ядро получает данные относительно уровня освещенности снаружи черепа. А эта информация позволяет тренировать биологические часы и обеспечивать соответствие их показаний фазе вращения Земли. Однако все это проще сказать, чем сделать.

Любой человек, переживший физические и психические неудобства, связанные с пересечением земных меридианов, знает о сложностях перенастройки биологических часов. Ресинхронизация супрахиазматического ядра после перелета из Лос-Анджелеса в Лондон может занять несколько суток: для перехода на новый ритм после пересечения каждого часового пояса требуется примерно по одному дню. А вот наручные часы можно сразу перевести на местное время.

Это различие отражает разные принципы устройства биологических и рукотворных часов. Частота осцилляций кристалла кварца в большинстве наручных часов составляет 32 768 Гц, так что за час отсчитывается 32 768 × 60 × 60 осцилляций. Для перевода часов по прибытии в Лондон не требуется переделывать часовой механизм, а нужно только формально изменить общее число осцилляций путем перевода часовой стрелки (или цифры). Напротив, колебание маятника биологических часов происходит за полные сутки, так что их перевод – гораздо более сложная процедура, затрагивающая сам часовой механизм и требующая сдвига на половину колебания. «Колебание» в данном случае – это рост и снижение концентрации внутриклеточных белков. Немедленно изменить концентрацию белков в клетке просто невозможно, как невозможно немедленно «перенастроить» наполовину опустевшие песочные часы.

На экваторе один часовой пояс (шириной 15° долготы) соответствует расстоянию примерно в 1600 км. Таким образом, чтобы пересечь 8 часовых поясов (что эквивалентно путешествию из Лос-Анджелеса в Лондон) за 12 ч нужно перемещаться со средней скоростью свыше 1000 км/ч. Это намного быстрее, чем бегают, плавают или летают любые животные. По этой причине джетлаг – новое явление, вызывающее сонливость и раздражительность не только у туристов и ученых, посещающих международные конференции, но и у пилотов, военных и дипломатов, которые в таком состоянии могут принимать неверные решения.

Однако не все переезды переносятся одинаково тяжело. Перемещение на восток пережить гораздо сложнее, чем перемещение на запад. Перемещение на восток требует перевода наших биологических часов вперед: при перелете из Лос-Анджелеса в Нью-Йорк мы должны перевести наручные часы на три часа вперед, тогда как при переезде на запад у нас остается «запасное время». Переезд с западного побережья на восточное сравним с ранним отходом ко сну, тогда как переезд с востока на запад – с поздним отходом ко сну, а для большинства людей гораздо труднее заснуть рано, чем поздно. Вполне в соответствии с этим интуитивным ощущением обычно гораздо труднее переносится переезд с запада на восток, поскольку биологическим часам труднее перескочить вперед, чем отстать, хотя механистические причины этого явления не совсем понятны.

Мыши, кажется, тоже тяжелее переживают джетлаг при перемещении на восток. Когда группу старых мышей помещают в условия, имитирующие хронический джетлаг к востоку, каждую неделю сдвигая их суточный цикл на шесть часов вперед, через восемь недель эксперимента смертность в этой группе значительно выше, чем среди мышей, которым суточный цикл смещают на шесть часов назад, имитируя перемещение на запад57.

БОРЕМСЯ С ЧАСАМИ

Вы «жаворонок» или «сова»: рано ложитесь спать и рано встаете или поздно ложитесь и поздно встаете? Эти «птичьи» термины обозначают хронотипы. Для определения хронотипа существует стандартный набор вопросов относительно того, когда человек предпочитает идти спать, когда он наиболее активен, когда ему лучше работается. Хронотипы отражают естественные вариации характера суточной активности в популяции, связанные с влиянием окружающей среды и с возрастом. Но к какому бы хронотипу мы не относились, большинство из нас способны адаптироваться (пусть с недовольством) к различным режимам рабочего дня. Однако есть люди, которые, как ни стараются, засыпают в восемь вечера, что мешает им нормально работать и вести нормальную социальную жизнь. Про таких людей говорят, что у них нарушен суточный ритм сна.

В конце 1990-х гг. в результате изучения истории пяти поколений семьи, в которой было много очень ранних «жаворонков», выяснилось, что для некоторых подобных нарушений существует генетическое основание. Как минимум один представитель этой семьи (который в качестве добровольца участвовал в эксперименте и провел 18 дней в изоляции) имел цикл сна и бодрствования около 23 ч, тогда как в норме этот цикл чуточку превышает 24 ч.

В 2001 г. ученые идентифицировали генетическую мутацию, связанную с семейным синдромом смещения фазы сна. Первый идентифицированный ген, связанный с нарушением циркадного ритма у человека, оказался тем же самым геном Period, который Бензер и Конопка обнаружили в 1970-х гг. в экспериментах с дрозофилами, что в очередной раз подтверждало ценность многолетних экспериментов на грызунах и дрозофилах58. Люди с семейным синдромом смещения фазы сна живут в 23-часовом ритме в мире, где все подчинено 24-часовому ритму. Им постоянно приходится бороться со своими внутренними часами.

Однако не обязательно иметь мутацию в гене Period, чтобы столкнуться с такой же проблемой. В современном мире значительное число людей работает посменно: заводские рабочие, пилоты самолетов, медсестры, врачи и полицейские часто работают по ночам и вынуждены спать днем. Цикл сна и бодрствования таких людей обычно не совпадает с их биологическим ритмом. Проблема усугубляется еще и тем, что многие постоянно вынуждены перестраивать свой цикл: они ведут активный образ жизни ночью во время рабочей недели и днем в выходные. Не удивительно, что сменная работа является фактором риска развития целого ряда патологий, включая язву, сердечно-сосудистые заболевания и диабет 2 типа.

Причины этих проблем не до конца понятны, но отчасти они являются результатом несоответствия внутренних физиологических циклов и внешних стимулов. Например, концентрация таких гормонов, как инсулин, обычно повышается в период перед приемом пищи. Хроническое несоответствие между ожиданием приема пищи и ее получением, возможно, способствует развитию диабета59. В экспериментах на мышах было показано, что удаление генно-инженерным путем биологических часов из клеток поджелудочной железы при их сохранении в супрахиазматическом ядре и других органах повышает вероятность развития диабета. Это подтверждает, что координация многих биологических ритмов нашего организма является важнейшим условием физиологического здоровья60.

Пагубное влияние образа жизни, не соответствующего биологическому ритму, демонстрировалось неоднократно. В связи с этим возникает вопрос: может быть, лучше вообще не иметь внутренних часов, чем бороться с проблемой десинхронизации? Как ни странно, на этот вопрос можно ответить утвердительно. Как было сказано, хомяки с мутацией генов циркадного ритма могут иметь свободный циркадный ритм с периодом намного больше или намного меньше 24 ч. При одной из мутаций период циркадного ритма составляет 22 ч. В 24-часовом мире такие хомяки живут меньше, чем их немутантные родичи. Но повреждение супрахиазматического ядра этих животных приводит к увеличению продолжительности жизни. Это удивительный пример ситуации, когда какая-то часть мозга, кажется, приносит больше вреда, чем пользы61.

Способность правильно распределять физиологические функции, предвидеть восход солнца и прием пищи является полезной адаптацией, но если биологический ритм не соответствует ритму внешнего мира, могут возникнуть столь серьезные проблемы, что лучше вовсе обойтись без внутренних часов. Возможно, когда-нибудь люди переселятся на другие планеты, и маловероятно, что период вращения какой-нибудь планеты из зоны обитаемости будет находиться в резонансе с нашим биологическим ритмом. Например, период вращения Марса близок к земному (24 ч и 39 мин), а вот на Меркурии «сутки» длятся более 58 земных суток. Таким образом, если этот момент наступит, возможно, правильнее будет не бороться со своими внутренними часами, а отключить их навсегда.