5. Ритмы мозга
Типы ритмов
Циркадианные ритмы у человека
Всем нам хорошо известен один суточный ритм — наш собственный цикл сна и бодрствования. На самом деле человеческому организму свойственно более 100 таких ритмов, хотя многие из них скоординированы с циклом сон — бодрствование. Так, например, температура тела на протяжении каждых суток изменяется примерно на 0,6°С. В дневное время она выше, достигает максимума где-то во вторую половину дня и снижается до минимума ночью — между 2 и 5 часами утра. Вспомните те случаи, когда вы не ложились спать до позднего времени, готовясь к экзамену или ожидая посадки на ночной самолет. Если у вас при этом возникало чувство озноба, то это не только потому, что вы устали больше обычного, но и потому, что в этот момент у вас была самая низкая температура тела.
Выделение мочи тоже подчиняется определенному ритму — медленнее всего оно идет ночью во время сна. Это важный охранительный механизм. Мы ежедневно проводим около 8 часов в лежачем положении, ничего не потребляя. Поэтому, если бы ночью организм терял много жидкости, это грозило бы уменьшением объема крови. Скорость экскреции мочи, вероятно, определяется ритмическим выбросом различных гормонов. Ученые обнаружили отчетливый циркадианный ритм в содержании вазопрессина — антидиуретического гормона, выделяемого задней долей гипофиза, — в крови здоровых людей.
Один из гормонов, вырабатываемых корой надпочечников, — кортизол (гидрокортизон) — выделяется в наибольшем количестве перед рассветом, тем самым подготавливая организм к заботам грядущего дня. У ночных животных пик выброса этого гормона приходится на ранние вечерние часы.
Все эти ритмы явно синхронизированы с ритмом сна и бодрствования.
Сон и бодрствование
Сон — это специфическое состояние нервной системы с характерными особенностями и циклами мозговой деятельности (см. гл. 4). Человек засыпает не постепенно, а сразу — переход от состояния бодрствования к состоянию сна совершается мгновенно. Это было показано Уильямом Дементом. Суть его опытов заключалась в следующем: испытуемому, который лежал и готовился ко сну, пластырем закрепляли веки так, что глаза его оставались открытыми, а затем через каждые одну или две секунды включали световую вспышку; испытуемый должен был при виде вспышки каждый раз нажимать на кнопку. Постепенного угасания реакции нажатия на кнопку обнаружено не было. Действие — а значит, и восприятие — прекращалось внезапно, когда испытуемый засыпал, хотя глаза его оставались широко открытыми.
Ученые пока не знают, каково назначение сна, но он, очевидно, представляет собой биологическую потребность нашего вида. Кто-то сказал, что сон существует для того, чтобы «помешать нам бродить в потемках и натыкаться на вещи». Тот, кто хоть раз устраивался на ночлег в дикой местности, как это делали наши примитивные предки, найдет в этой фразе больше здравого смысла, нежели простого остроумия.
Сон, по-видимому, регулируется взаимодействием групп нейронов, находящихся в разных участках мозга, в том числе в ретикулярной формации, ядрах шва и голубом пятне (см. рис. 71). Ретикулярная формация — это особая структура внутри моста и верхней части мозгового ствола в пределах заднего мозга, которая играет важную роль в процессе пробуждения. Ядра шва, тоже находящиеся в осевой части заднего мозга, по-видимому, вызывают сон путем торможения ретикулярной формации. Серотонин — основной медиатор ядер шва — вероятно, и является тем фактором, который индуцирует сон. Недостаток серотонина заставляет животное бодрствовать. Норадреналин, с другой стороны, стимулирует пробуждение, а голубое пятно — одна из областей моста — это главное скопление нейронов, содержащих норадреналин. При повреждении голубого пятна животные спят намного больше, чем обычно.
Сказать точно, как взаимодействуют эти мозговые структуры и их медиаторы, мы не можем, но то, что они взаимодействуют в процессе регуляции сна и бодрствования, не вызывает сомнений. Например, после перерезки нервных путей, идущих от голубого пятна к ядрам шва, у животного наблюдается временное сокращение сна — как фазы БДГ, так и остальных фаз (см. гл. 4).
Другие образования — супрахиазменные ядра гипоталамуса (см. рис. 96), по-видимому, ответственны за распределение сна в суточном цикле, но не за его общую продолжительность. Разрушение этих ядер у крыс приводит лишь к тому, что животные спят урывками в разное время суток — вместо обычного для них длительного сна в дневное время (Ibuka, Kawamura, 1977).
Далеко не всем людям требуется 8 часов ночного сна. Продолжительность сна, в котором они нуждаются или думают, что нуждаются, сильно варьирует: одни превосходно чувствуют себя после 4 или 5 часов ночного сна, тогда как другие не ощущают себя отдохнувшими, не проспав 8-9 часов. Но какова бы ни была длительность сна, для всех людей характерна склонность всегда придерживаться одного и того же распорядка сна и бодрствования.
Рис. 82. Если исчезнут индикаторы времени, нас поглотит пучина хаоса.
Большинство из нас строит свою жизнь на основе определенных «стандартов». Помимо циклической смены света и темноты мы находим в окружающей среде (или создаем сами) много других «времязадателей». В определенное время мы едим, ходим на работу или в школу, возвращаемся домой. Наша культурная жизнь тоже упорядочена: мы ходим в гости или в кино обычно по вечерам и крайне редко — утром. У большинства из нас, конечно же, есть при себе часы, или мы «следим за временем» с помощью городских часов. Какое влияние оказывают эти внешние временные сигналы на наши биологические ритмы? И во что превратятся наши дни и ночи, если мы лишимся таких сигналов?
В ряде экспериментов испытуемые добровольно соглашались провести длительное время в изоляции — не только без других людей, но и без каких бы то ни было внешних сигналов, позволяющих судить о времени. Удивительнее всего то, что у этих людей после нескольких недель изоляции обнаруживалась тенденция к установлению циклов, близких к 24,8-часовым лунным суткам.
Если человек долго не получает никаких указаний относительно времени, его циркадианный ритм становится, как говорят, «свободнотекущим». Как показали наблюдения над Мишелем Сиффром, находившимся в течение двух месяцев в изоляции под землей, его «сутки» по большей части были длиннее 24 или 25 часов и крайне редко короче (рис. 83).
Другой испытуемый, Дэвид Лафферти, провел в пещере 127 дней. Вначале его циклы были абсолютно беспорядочны. Иногда его «сутки» составляли 19 часов, из которых 10 он бодрствовал, а 9 — спал; иногда — 53 часа, из которых он бодрствовал 18, а спал — 35. К концу эксперимента установился цикл длительностью около 25 часов.
Таким образом, при полном отсутствии внешних времязадателей наши циклы сна и бодрствования утрачивают свою регулярность. Значение общественного распорядка отчетливо проявляется в Арктике, где зимой царит постоянная тьма, а летом все время светло. Тем не менее у живущих там эскимосов сохраняются регулярные циклы сна и бодрствования.
Некоторые обстоятельства современной жизни, однако, способствуют нарушению циклов сна: путешествия на самолетах, работа в разные смены, бессонница. Влияют ли эти изменения на другие ритмы нашего тела? Вызывают ли они десинхронизацию различных процессов, и если да, то каковы физические и психологические последствия этого?
Когда сдвигаются фазы ритма
В длительных экспериментах с испытуемыми, живущими в пещере, при свободнотекущем ритме «сутки» у них значительно удлинялись по сравнению с обычными 24-часовыми, и это действительно приводило к десинхронизации ритма температуры тела и цикла сон-бодрствование. Обычно, как вы помните, максимальная температура тела отмечается где-то после полудня, когда большинство людей очень активны. Минимальная температура наблюдается в 2-5 часов утра, когда мы обычно спим. У одного «пещерного жителя» сутки удлинились в среднем до 33 часов, но его температурный цикл остался почти прежним — 24,8-часовым. Поэтому иногда и подъем, и спад температуры тела приходились у него на активную часть «суток», а на 12-й день, например, он испытал два подъема и два спада за одни «сутки».
Температура тела очень сильно влияет на продолжительность сна у изолированных испытуемых со свободнотекущими ритмами. Если отход ко сну совпадает у субъекта с минимальной температурой тела, сон длится относительно недолго — около 8 часов. Напротив, если человек ложится спать при высокой температуре тела, длительность сна может достигать 14 часов. Люди с нормальным 24-часовым циклом дневного бодрствования и ночного сна обычно засыпают, когда температура тела у них начинает понижаться, и просыпаются, когда она идет на подъем. Несомненно, суточный ритм температуры тела влияет на продолжительность сна, но большинство из нас не ощущает этого влияния, так как живет по жесткому распорядку дня. Если иногда нам и случится проспать 12 часов, то мы припишем это переутомлению или лишней рюмке вина. Но, может быть, длительный сон наступил из-за того, что мы заснули, когда температура тела у нас была максимальной.
Полетная десинхронизация. Один из обычных факторов современной цивилизации, нарушающих четкий ритм жизни многих людей, — это перелеты на дальние расстояния. За 5 часов мы переправляемся с одного океанского побережья Соединенных Штатов на другое, пересекая несколько часовых поясов. А если вы полетите из Сан-Франциско в Лондон, путешествие займет около 8 часов, и когда вы сойдете с самолета, местное время будет на 8 часов опережать соответствующую фазу вашего циркадианного цикла. Скажем, если вы вылетите в полдень, то прилетите в 10 часов вечера (по вашим часам), а в Лондоне в это время будет 6 часов утра.
ЖИЗНЬ ВНЕ ВРЕМЕНИ
В 1972 году французский спелеолог Мишель Сиффр провел в одной техасской пещере шесть месяцев, на протяжении которых ученые вели наблюдения за ритмами его мозга.
«Вы живете в соответствии с ритмом вашего сознания... Это все ваш мозг, ваши функции. Все черно — здесь нет чередования дня и ночи. Пещера, в которой я находился, — это полутропическая пещера, знаете ли, ни звука, ничего... полная темнота.»
Сиффр жил в тщательно подготовленной пещере, куда не мог проникнуть свет. Он ел, когда был голоден, спал, когда хотел, предварительно прикрепив на голове электроды, чтобы можно было записывать фазы сна. Несколько раз в день он измерял температуру своего тела и отправлял на поверхность пробы мочи для анализа. Он сообщал по телефону, что собирается спать, и исследователи, проводившие эксперимент, выключали у него свет. Каждый из циклов сон/бодрствование Сиффр считал за одни сутки.
За время пребывания в пещере «сутки» Сиффра удлинились настолько, что его 151-й цикл на самом деле оказался 179-м днем — последним днем, проведенным под землей. Он «потерял» один месяц солнечного времени. Вот еще запись из его дневника:
«Цикл 151. Тупо, механически я приступил к выполнению серии упражнений. Едва я кончил крутить проклятый велосипед, как зазвонил телефон. Жерар сказал мне, что сегодня 10 августа, ветреный день, и что эксперимент закончен. Это сообщение привело меня в полное замешательство: я думал, что еще середина июля. Потом, по мере осознания истины, меня охватила волна облегчения.»
Рис. 83. Жизнь Сиффра в пещере. Из графика (внизу) видно, что его «сутки» чаще всего были гораздо длиннее 24 или 25 часов и лишь иногда короче.
Большинству из нас знакомы ощущения, связанные с длительными перелетами, по крайней мере по путешествиям с одного океанического побережья на другое. В течение некоторого времени мы чувствуем усталость и раздражительность, плохо спим, иногда испытываем расстройства пищеварения; мы немного угнетены и чувствуем себя — умственно и физически — не в своей тарелке. Эти ощущения возникают в результате десинхронизации ритмов нашего тела, несогласованности двух или нескольких ритмов, которые обычно взаимосвязаны. Десинхронизация происходит из-за сдвига фаз, т.е. изменения соотношений между биологическими часами нашего организма и обычными часами, по которым идет жизнь. Обычно мы ложимся спать, когда температура тела у нас начинает опускаться, а оказавшись в новом месте, мы пытаемся уснуть при ее подъеме. Обычно выброс кортизола надпочечниками происходит перед нашим пробуждением; теперь же волна кортизола захлестывает наше тело в середине дня или перед сном. Иногда в течение нескольких дней после перелета мы просыпаемся разбитыми, а ночью лежим с широко открытыми глазами.
Рис. 84. Десинхронизация ритмов организма у изолированного «пещерного жителя». Темные полосы — периоды сна, светлые — бодрствование. (Aschoff, 1969.)
В конце концов ритмы приходят в норму и синхронизируются. Но, поскольку одни ритмы восстанавливаются раньше, а другие позже, для полной их синхронизации требуется некоторое время. Какое именно — зависит от нескольких причин. Во-первых, скорость восстановления зависит от того, в каком направлении произошел сдвиг. При перелетах в западном направлении биологические часы отстают по отношению к 24-часовому суточному циклу, и для того, чтобы приспособиться к распорядку дня в новом месте, должна произойти фазовая задержка, а после перелетов в восточном направлении — фазовое ускорение. По-видимому, организму легче осуществить фазовую задержку, нежели ее ускорение: после перелетов в западном направлении ритмы синхронизируются быстрее (см. рис. 85). С другой стороны, время, необходимое для адаптации к новым временным рамкам, зависит от физиологии индивида. Люди сильно различаются по своей приспособляемости.
Чтобы успешнее справиться с проблемой полетной десинхронизации, необходимо как можно скорее организовать режим дня в новых условиях таким образом, чтобы многочисленные внешние времязадатели сразу же начали воздействовать на ваши ритмы. В одном исследовании испытуемые совершали перелет через шесть часовых поясов. По прилете одни из них оставались в своем гостиничном номере, а другие включались в активную жизнь. Те, кто не выходил из помещения, приспосабливались к новым условиям намного медленнее (Klein, Wegmann, 1974). Если вы прилетите в Лондон в 6 часов утра по лондонскому времени, постарайтесь не ложиться спать, хотя для вашего организма уже 10 часов вечера. Позавтракайте и займитесь делами. Если в тот день вы ляжете спать одновременно с лондонцами, у вас будет больше шансов, что, проснувшись, вы почувствуете себя лондонцем, а не проведшим бессонную ночь жителем Сан-Франциско.
Рис. 85. Каждым столбиком представлено время, необходимое для ресинхронизации ритмов организма после перелета. После перелета на запад (внизу) обычно требуется больше времени, чем после перелета на восток (вверху). (Kline, Wegmann, 1979.)
Говоря о воздействии времязадателей на человеческий организм, нужно упомянуть об одном факторе, который редко играет роль в жизни животных. Это индивидуальная мотивация. Эффективность одного назойливого времязадателя — будильника — зависит от того, в какой из дней недели раздается его звонок и что произойдет, если мы его проигнорируем. В будни люди почти всегда подчиняются его диктату и встают с постели, но в выходные дни они, несмотря на звонок, могут поспать дольше, что обычно и делают. «Хандра по утрам в понедельник» — это своеобразная «полетная» деадаптация, которая связана с тем, что в пятницу, субботу и воскресенье люди обычно ложатся и встают все позже и позже. Поэтому к утру понедельника в нашей циркадианной системе происходит фазовый сдвиг относительно общепринятого времени, и нам приходится вставать намного раньше по сравнению с субъективным временем нашего организма (Moore-Ede et al., 1983).
Сменная работа. Некоторые предприятия и организации функционируют 24 часа в сутки. На авиалиниях, например, пилоты и обслуживающий персонал часто работают по различным скользящим графикам. В больницах и аэропортах необходимо круглосуточное дежурство персонала, на многих заводах работа ведется в три 8-часовые смены. Поскольку большинство рабочих не любят постоянно трудиться в вечернюю (с 16.00 до 24.00) или ночную (с 24.00 до 8.00) смену, их график организован таким образом, что они работают одну неделю вечером, одну — ночью, одну — днем, а затем опять вечером.
Изменения рабочего графика, конечно, не обходятся без сдвигов в режиме сна; поэтому при переходе из одной смены в другую часто возникают явления, сходные с «полетной деадаптацией». Десинхронизация биологических ритмов приводит к снижению работоспособности. Из-за того что некоторым людям после 8-часового сдвига в режиме сна и бодрствования требуется 5-6 дней для восстановления ритма и синхронизации фаз, многие из тех, кто работает по сменному недельному графику, так и не успевают к нему по-настоящему приспособиться.
По сменам обычно дежурят авиадиспетчеры, проводя несколько дней в одной из них и следующие две недели в другой. Наиболее интенсивное движение со взлетами и посадками буквально каждые несколько секунд приходится на определенные смены, и поэтому скользящий график дежурств позволяет разделить эту тяжелую для нервной системы нагрузку поровну между всеми. Диспетчеры относятся к категории людей, особенно подверженных патологическим процессам, вызываемым длительным стрессом, например язве желудка и гипертонии (см. гл. 6). Трудно сказать, какие особенности этой работы вносят наибольшую лепту, но сменный график с присущей ему десинхронизацией ритмов определенно играет неблагоприятную роль.
Рис. 86. Эта диаграмма, на которой представлены периоды сна, часы работы и часы приема пищи у двух летчиков, показывает, что все это практически не согласовано с циркадианным ритмом. Авиалинии, планируя свободное время летчика, исходят исключительно из графика полетов. (Fuller-Sulzman, Moore-Ede, 1981.)
С пониженной работоспособностью пилотов, не успевших приспособиться к работе в другую смену, связан целый ряд происшествий, едва не закончившихся трагически. Однажды Боинг-707, который должен был по графику приземлиться в Международном аэропорту Лос-Анджелеса, своевременно появился на дисплее слежения, но продолжал двигаться на высоте более 10000 метров, удаляясь на запад над Тихим океаном. Пришедшие в замешательство и обеспокоенные авиадиспетчеры смогли включить сигнал тревоги в кабине самолета. Оказалось, что вся команда заснула и самолет управлялся автопилотом. К счастью, в самолете хватило топлива для возвращения в Лос-Анджелес.
Неблагоприятное воздействие сменного графика, возможно, послужило одной из причин едва не разразившейся катастрофы на ядерном заводе «Три-Майл-Айленд». Бригада, находившаяся у пульта управления, пропустила несколько сигналов, предупреждавших о грозящей опасности. Оказалось, что эта бригада только что приступила к работе в ночную смену после шести недель непрерывного сменного графика (Moore-Ede et al., 1982).
Новые сведения о циркадианной системе человека и растущее понимание опасности для здоровья, возможной при скользящем графике работы, привели к тому, что биологические ритмы начали учитывать в промышленности при составлении сменных графиков. Во время обследования, проведенного недавно Чарлзом Цейслером и его коллегами на круглосуточно функционирующем предприятии «Грейт-Солт-Лейк Минералз энд Кемикалз Корпорейшн» в Огдене (штат Юта), фиксировались все жалобы сотрудников на ухудшение здоровья и сна, а также сообщения о случаях, когда они засыпали во время работы. Согласно принятому на заводе графику, бригады работали посменно по 8 часов в течение 7 дней — неделю в дневную смену, неделю в ночную и неделю в вечернюю, а затем опять в дневную. Помимо того что неделя была, по мнению исследователей, слишком коротким периодом для полного восстановления нормального ритма, рабочим приходилось испытывать фазовое опережение, особенно ощутимое при переходе от дневной смены к ночной. Новый график был составлен на основе принципа фазовой задержки: бригады переходили от ночной смены к дневной, а затем к вечерней. Кроме того, продолжительность каждой смены возросла втрое — до 21 дня. Через 9 месяцев рабочие, трудившиеся по новому графику, сказали, что он их больше устраивает, а заводская статистика зарегистрировала меньшую текучесть кадров и возросший уровень производительности труда.
Рис. 87. На соляных разработках в районе Огдена (штат Юта) круглосуточно идет одна и та же работа.
Как и в случае с полетной десинхронизацией, отдельные рабочие сильно отличались друг от друга по степени выносливости и по скорости адаптации к сменному графику. Некоторые жаловались на постоянную усталость, нарушения сна, раздражительность, снижение работоспособности и расстройства пищеварения всего лишь после нескольких месяцев, а иногда — после многих лет сменной работы. Другие же, по всей видимости, легко приспосабливались. В этом различии, возможно, играл роль один физиологический фактор: было обнаружено, что у людей с хорошей переносимостью сменного графика циркадианные колебания температуры тела более значительны, чем у людей с плохой переносимостью (Reinberg et al., 1983).
Физиологические проблемы, связанные с дальними перелетами и сменной работой, выявили тот факт, что наша жизнь в норме приспособлена к существующему на нашей планете циклу света и темноты. И хотя мы научились превращать ночь в день с помощью электричества (как это с успехом делают, например, в Лас-Вегасе) или удлинять наши сутки (как это происходит при перелетах), за нарушение циркадианных ритмов нам приходится платить дорогую цену. Десинхронизация биологических ритмов заметно сказывается на нашем самочувствии.
