07.06.10
В регуляции суточных (циркадных) ритмов у человека принимают участие не только меланопсиновые клетки (см.: Photosensitive ganglion cell), но и «классические» фоторецепторы (палочки и колбочки). Однако действуют они по-разному: колбочки «просыпаются» в ответ на длинноволновый, а меланопсиновые клетки — в ответ на коротковолновый свет. Кроме того, колбочки через некоторое время после включения света «выключаются» и перестают «будить» организм, а меланопсиновые клетки активны всё то время, что горит свет. Благодаря этим новым данным можно будет улучшить методики светотерапии при нарушениях сна, а также создать более полную картину регуляции циркадных ритмов.
«Внутренние часы» человека расположены в крохотном, размером с рисовое зернышко, супрахиазматическом ядре (СХЯ; см.: Suprachiasmatic nucleus) в гипоталамусе. Это ядро формирует цикл сон–бодрствование, регулирует суточные колебания уровня гормонов, экспрессии генов, температуры тела, пищеварительной активности и так далее. Чтобы синхронизировать свою деятельность с солнечным циклом, СХЯ получает информацию от светочувствительных клеток в сетчатке. Если клетки «сообщают» ему, что стало светло, СХЯ, помимо прочих действий, резко понижает синтез главного пейсмейкерного (то есть ритмообразующего) гормона мелатонина (подробнее о мелатонине см. также статью В. Анисимова «Хронометр жизни»).
Помимо фоторецепторов — палочек и колбочек, о которых, наверное, знают все, — в сетчатке есть еще несколько типов клеток. Биполярные нейроны (см.: Bipolar cell of the retina) передают информацию от колбочек и палочек на ганглионарные клетки (см.: Retinal ganglion cell), аксоны которых и образуют глазной нерв, а амакриновые (см.: Amacrine cell) и горизонтальные клетки (см.: Horizontal cell) обеспечивают горизонтальные связи в сетчатке. Палочки и колбочки расположены на самом «дне» глаза, и перед тем как на них попасть, свет проходит через все остальные слои клеток.
График изменения уровня мелатонина в зависимости от времени суток. Вечером эпифиз начинает выбрасывать мелатонин в кровь; к середине ночи уровень мелатонина максимален, а к утру начинает опускаться до низкого дневного уровня. По вертикальной оси — мелатонин (в пикограммах на миллилитр), по горизонтальной — время суток. Изображение с сайта www.epgonline.org
Все клетки сетчатки, кроме колбочек и палочек, «слепы», то есть нечувствительны к свету. Есть только одно интересное исключение: небольшая группа ганглионарных клеток способна воспринимать свет с помощью пигмента меланопсина (см.: Melanopsin), чувствительного к синему свету (λmax = ~480 нм). Аксоны этих клеток идут непосредственно в СХЯ, передают туда информацию об уровне освещенности и таким образом «подстраивают» внутренние часы организма под суточный цикл.
Даже у тех слепых людей, у которых не работают палочки и колбочки, циркадные ритмы не нарушаются, поскольку меланопсиновые клетки сетчатки продолжают функционировать, оценивать уровень освещенности и передавать информацию об этом в СХЯ. Поэтому было принято считать, что ни палочки, ни колбочки не участвуют в системе генерации циркадных ритмов.
Структура сетчатки. Изображение с сайта www.skidmore.edu
Однако некоторое время назад было показано, что у мутантных мышей, лишенных меланопсина, всё равно присутствуют циркадные ритмы, а в ответ на свет уменьшается синтез мелатонина и сужается зрачок (адаптация зрачка под уровень освещенности тоже считается «обязанностью» меланопсиновых клеток). Все эти функции нарушаются только тогда, когда уничтожаются и сигнальные пути от палочек и колбочек. А значит, в генерации суточных ритмов палочки и колбочки играют немаловажную роль.
Чтобы оценить эту роль, была проведена серия экспериментов на добровольцах возрастом от 18 до 30 лет. В ночное время их помещали на 6,5 часов под постоянный свет с длиной волны 460 нм (на него реагируют меланопсиновые клетки) или 555 нм (его не воспринимают меланопсиновые клетки, зато распознают колбочки). Внутри каждой группы («меланопсиновой» и «колбочковой») были свои подгруппы, отличающиеся по яркости предъявляемого света. У испытуемых измеряли уровень мелатонина и сдвиг суточных ритмов.
Типичные результаты эксперимента для двух испытуемых, одному из которых предъявлялся синий «меланопсиновый» свет (460 нм; верхний ряд графиков), а другому — зеленый «колбочковый» (555 нм, нижний ряд графиков). В левой колонке показано изменение уровня мелатонина во время предъявления света (этот интервал времени показан черным прямоугольником), а в правой — на следующий день после эксперимента (черные вертикальные линии показывают «фазовый сдвиг» графиков). Черные графики — колебание мелатонинового уровня за день до эксперимента. Изображение из обсуждаемой статьи в Science Translational Medicine
У большинства испытуемых 460-нанометровый («меланопсиновый») свет снижал уровень мелатонина в течение всех 6,5 часов, в то время как 555-нанометровый («колбочковый») свет вызывал только кратковременное, хотя и сильное, понижение мелатонинового уровня в самом начале своего предъявления. На следующий день после эксперимента наблюдался «фазовый сдвиг»: уровень мелатонина начинал повышаться позже, чем до эксперимента, причем графики изменения этого уровня для «меланопсиновых» и «колбочковых» испытуемых имели абсолютно разную форму.
Чем ярче свет, тем сильнее сдвигаются циркадные ритмы, и это верно для обеих групп испытуемых. Однако если мы построим график зависимости фазового сдвига от интенсивности синего и зеленого света, то увидим, что «синий» график растет гораздо быстрее. Получается, что при низкой яркости зеленый свет гораздо эффективнее синего, а при высокой — наоборот.
График зависимости фазового сдвига от дозы полученного света. Доза света измеряется в десятичном логарифме количества фотонов, попавших на единицу площади за единицу времени (13 lg фотонов см–2·с–1 ~24 люкса для 555-нанометрового света и ~2 люкса для 460-нанометрового), а сдвиг суточных ритмов — в часах. Горизонтальный черный пунктир показывает половину от максимального сдвига суточного ритма, а цветные вертикальные пунктирные линии — соответствующие этому сдвигу значения дозы света. Изображение из обсуждаемой статьи в Science Translational Medicine
То есть и меланопсиновые клетки, и колбочки вносят свой вклад в генерацию циркадных ритмов, только вклад этот разный: колбочки при включении света «просыпаются» на короткое время, а затем, даже если свет продолжает гореть, «засыпают» и не посылают в СХЯ сигналы, приводящие к падению уровня мелатонина, а меланопсиновые клетки, однажды «проснувшись», понижают уровень мелатонина всё то время, что горит свет. Можно сказать, что меланопсиновые клетки — основной «будильник» для организма, а колбочки — дополнительный, работающий примерно с той же силой, но ограниченное время.
Полученные результаты могут модернизировать методики светотерапии, используемые при различных нарушениях сна, сбоях суточных ритмов и психических проблемах, например при сезонном аффективном расстройстве (см.: Seasonal affective disorder), в России хорошо известном как «зимняя депрессия», а также для облегчения участи людей, работающих по ночам. Раньше для этого применялся в основном коротковолновой синий свет, возбуждающий меланопсиновые клетки. Но вполне возможно, что более длинноволновой «колбочковый» свет окажется ничуть не менее полезным — либо сам по себе, либо в совокупности с коротковолновым.
Источник: Joshua J. Gooley, Shantha M. W. Rajaratnam, George C. Brainard, Richard E. Kronauer, Charles A. Czeisler, Steven W. Lockley. Spectral Responses of the Human Circadian System Depend on the Irradiance and Duration of Exposure to Light // Science Translational Medicine. 12 May 2010. V. 2. Issue 31. P. 31ra33.
Вера Башмакова
Источник: elementy.ru
