Ilustracja: Ulrika Nilsson Carlsson
Nasze zegary biologiczne są inne — geny i hormony?
„W kilku badaniach wykazano, że późniejsze godziny rozpoczęcia nauki w szkole poprawiają czujność i zdolności umysłowe uczniów podczas porannych lekcji. Jak na ironię, podczas gdy młodzi dorośli mają tendencję do poprawy swoich wyników w ciągu dnia, ich starsi nauczyciele wykazują spadek wyników w tym samym okresie!” Nasze zegary biologiczne nie są takie same.
Jeśli rano masz bystry umysł i wcześnie kładziesz się spać, jesteś „skowronkiem”, ale jeśli nienawidzisz poranków i późno chodzisz spać, jesteś „sową”.
Terminy te zostały użyte do opisania prawdziwego zjawiska preferencji dobowych — godzin, kiedy wolisz spać i kiedy wykonujesz najlepiej swoją pracę. Preferencje dobowe są częściowo określane przez nasze geny zegarowe. Ekscytujące badania przeprowadzone w ostatnich latach wykazały, że niewielkie zmiany w tych genach są powiązane z szybkimi zegarami (krótszymi niż 24 godziny) skowronków lub wolniejszymi (dłuższymi niż 24 godziny) zegarami sów. Ale to nie tylko nasze geny regulują nasze dobowe preferencje. Godziny snu znacznie zmieniają się wraz z wiekiem.
W okresie dojrzewania pory snu i pobudki przesuwają się do coraz późniejszych godzin. Ta tendencja do późniejszego wstawania utrzymuje się do około 19,5 roku u kobiet i 21 lat u mężczyzn, kiedy to następuje odwrócenie i przesunięcie w kierunku wcześniejszych godzin snu i czuwania. W wieku 55–60 lat wstajemy tak wcześnie, jak wtedy, gdy mieliśmy 10 lat.
Te i podobne wyniki pokazują, że młodzi dorośli naprawdę mają problem ze wstawaniem rano. U nastolatków pora snu jest opóźniona i osoby te mają duże niedobory snu, ponieważ kładą się późno, ale nadal muszą wstawać wcześnie rano, aby iść do szkoły. Te rzeczywiste efekty biologiczne zostały w dużej mierze zignorowane w kontekście struktury czasu narzuconej nastolatkom w szkole.
W kilku badaniach wykazano, że późniejsze godziny rozpoczęcia nauki w szkole poprawiają czujność i zdolności umysłowe uczniów podczas porannych lekcji. Jak na ironię, podczas gdy młodzi dorośli mają tendencję do poprawy swoich wyników w ciągu dnia, ich starsi nauczyciele wykazują spadek wyników w tym samym okresie! Mechanizmy tej zmiany preferencji dobowych nadal są słabo poznane, ale uważa się, że są one związane z wyraźnymi zmianami w naszych hormonach steroidowych (np. testosteron, estrogen, progesteron) i ich szybkim wzrostem w okresie dojrzewania, a następnie wolniejszym spadkiem.
Zegary świetlne i czujność
Oko nawiązuje połączenie ze światem zewnętrznym nie tylko, aby widzieć, ale także dla poczucia czasu i wielu procesów czasowych zachodzących w naszym ciele.
Zegar nie jest zegarem, jeśli nie można go ustawić na czas lokalny — a zegary molekularne w jądrach nadskrzyżowaniowych podwzgórza są zwykle regulowane (uruchamiane) przez codzienną ekspozycję na światło o świcie i zmierzchu, wykrywaną przez oczy. Gdy zegar nie jest wystawiony na stabilny cykl światła/ciemności, skutkuje to dryfowaniem lub „swobodnym” rytmem dobowym lub zakłóceniem cykli.
Oderwanie się doby słonecznej jest powszechne w społeczeństwach uprzemysłowionych. Poniżej omówiony zostanie szczególny przypadek pracowników pracujących w trybie zmianowym, jednak odizolowanie od silnych sygnałów świtu i zmierzchu występuje w wielu różnych przypadkach. Na przykład na oddziałach intensywnej opieki pediatrycznej i dorosłych często stosuje się słabe i stałe światło. W takim środowisku można by oczekiwać, że rytmy dobowe będą dryfować i ulegać desynchronizacji. Rezultatem, jak omówiono poniżej w podrozdziale „Zakłócenie zegara”, będzie osłabienie stanu zdrowia pacjenta. Światło nie tylko reguluje godziny rytmów dobowych, ale ma również bezpośredni wpływ na czujność i wydajność.
Badanie obrazowe mózgu po ekspozycji na światło wykazuje zwiększoną aktywność w wielu obszarach mózgu związanych z czujnością, funkcjami poznawczymi i pamięcią (wzgórze, hipokamp, pień mózgu) oraz nastrojem (ciało migdałowate). Ponadto wykazano, że zwiększone światło poprawia koncentrację, zdolność wykonywania zadań poznawczych i zmniejsza senność. W rezultacie nieodpowiednia ekspozycja na światło w budynku nie tylko zakłóci sen i rytm dobowy, ale także poziom czujności i wydajności.
Specjalne fotoreceptory w komórkach zwojowych nerwu wzrokowego synchronizują nasz zegar wewnętrzny z cyklami światła i ciemności w naszym otoczeniu, a tym samym z czasem lokalnym.
W ciągu ostatnich kilku lat nasze zrozumienie, jak światło reguluje rytm dobowy i czujność, znacznie się pogłębiło wraz z odkryciem całkowicie nowego systemu fotoreceptorów w oku. Ten nowy fotoreceptor nie znajduje się w części oka zawierającej pręciki (widzenie nocne) i czopki (widzenie dzienne), które są wykorzystywane do generowania obrazu świata, ale w komórkach zwojowych nerwu wzrokowego. Większość komórek zwojowych tworzy funkcjonalne połączenie między okiem a mózgiem, ale niewielka liczba wyspecjalizowanych komórek zwojowych (1–3%) jest bezpośrednio wrażliwa na światło i przenosi informacje do tych części mózgu, które biorą udział w regulacji rytmów dobowych, snu, czujności, pamięci i nastroju.
Te światłoczułe komórki zwojowe siatkówki (pRGC) zawierają światłoczuły pigment o nazwie Opn4, który jest najbardziej czuły w niebieskiej części widma (maksymalna czułość przy długości fali wynoszącej 480 nm) — bardzo podobnej do „błękitu” czystego nieba. Ten system wykrywania światła ewoluował, aby być anatomicznie i funkcjonalnie niezależnym od systemu wzrokowego i prawdopodobnie rozwinął się przed wzrokiem jako głównym sposobem wykrywania światła w celu wprowadzenia codziennych rytmów. Co godne uwagi, komórki pRGC mogą nadal wykrywać światło, aby przesunąć zegar dobowy lub wpłynąć na czujność, nawet u zwierząt lub ludzi, u których pręciki i czopki używane do widzenia są całkowicie zniszczone i którzy poza tym są całkowicie niewidomi. Rodzi to ważne skutki dla okulistów, którzy są w dużej mierze nieświadomi tego nowego układu fotoreceptorów i jego wpływu na fizjologię człowieka.
Biorąc pod uwagę wrażliwość pigmentu Opn4 na kolor, przewidywaliśmy, że niebieskie światło powinno być najskuteczniejszą długością fali (barwą) zmieniającą rytm dobowy i ostrzegającą systemy pobudzenia. We wszystkich dotychczas przeprowadzonych badaniach wykazano, że tak właśnie jest. Ekspozycja na niebieskie światło w nocy jest najskuteczniejsza w przesuwaniu czasu zegara dobowego, zmniejszaniu senności, poprawianiu czasu reakcji i aktywowaniu obszarów mózgu pośredniczących w czujności i śnie.
Oprócz spektrum, godziny, czas trwania, wzór i historia ekspozycji na światło wpływają na rytm dobowy i czujność. Szczególnie ważne są godziny ekspozycji na światło. Światło może przyspieszyć (wcześniejsze pójście spać) lub opóźnić (późniejsze pójście spać) system dobowy, w zależności od czasu ekspozycji. W warunkach ekspozycji na światło słoneczne światło o zmierzchu powoduje opóźnienie zegara, natomiast ekspozycja na światło o świcie przyspiesza zegar. Ten opóźniający i przyspieszający efekt światła utrzymuje związek jąder nadskrzyżowaniowych podwzgórza z dobą słoneczną.
Takie zróżnicowane efekty światła stają się niezwykle ważne, gdy próbujemy zrozumieć wpływ zmęczenia po zmianie strefy czasowej (jet lag), pracy w trybie zmianowym (patrz poniżej) lub projektu budowlanego na godziny snu/czuwania. Komórki pRGC nie są tak wrażliwe na światło jak pręciki i czopki, tak więc krótkie wystawienie na światło, które jest łatwo wykrywalne przez układ wzrokowy, nie jest przez nie rozpoznawane. Jednak przyciemnione światło może mieć wpływ, jeśli jest dostarczane przez długi czas. Tak więc stosunkowo słabe światło w pomieszczeniu, generowane przez lampki nocne i ekrany komputerowe (mniej niż 100 luksów), może mieć wymierny wpływ na zegar i układy pobudzenia przez kilka godzin i może zaostrzyć zaburzenia snu.
Łącznie te efekty światła — skład widma, czas ekspozycji i jasność — mają szerokie zastosowanie kliniczne i zawodowe nie tylko w leczeniu zaburzeń snu i zmęczenia, ale także w architekturze szpitali, szkół, biur, powierzchni handlowych i budynków mieszkalnych.