Az emberi alvás cirkadián (circa = körülbelül, ésdia = nap) periodicitással történik, és a cirkadián ritmusok iránt érdeklődő biológusok számos kérdést vizsgáltak ezzel a napi ciklussal kapcsolatban. Mi történik például, ha az egyedeket megakadályozzák abban, hogy érzékeljék a normális jeleket az éjszakáról és a nappalról? Erre a kérdésre úgy keresték a választ, hogy önkénteseket olyan környezetbe helyeztek (néha barlangokat vagy bunkereket használtak), ahol nincsenek külső jelzések az időre vonatkozóan (28.3. ábra). Egy ötnapos akklimatizációs időszak alatt, amely magában foglalta a társas interakciókat, a szokásos időben történő étkezést és az időbeli jelzéseket (rádió, TV), az alanyok a szokásos időben keltek és feküdtek le, és megtartották a 24 órás alvás-ébrenlét ritmust. Ezeknek a jelzéseknek az eltávolítása után azonban az alanyok minden nap később ébredtek, és az alvás és ébrenlét ciklusa a szokásos 24 óra helyett fokozatosan 28 órára hosszabbodott. Amikor az önkénteseket visszahelyezték a normál környezetbe, a 24 órás ciklus gyorsan helyreállt. Így az embereknek (és sok más állatnak; lásd a B. keretes írást) van egy belső “órájuk”, amely a napszakra vonatkozó külső információ hiányában is működik; ilyen körülmények között az órát “szabadon futónak” mondják. Egy önkéntes ébredési (kék vonalak) és alvási (piros vonalak) ritmusa izolációs kamrában a nappal-éjszaka ciklusra vonatkozó jelzésekkel és anélkül.
28.3. ábra
Egy önkéntes ébredési (kék vonalak) és alvási (piros vonalak) ritmusa izolációs kamrában a nappal-éjszaka ciklusra vonatkozó jelzésekkel és anélkül.A számok a teljes ébrenléti/alvási ciklus átlagát ± standard eltérést jelentik az egyes időszakokban (tovább…)
Box B
Molecular Mechanisms of Biological Clocks.
Vélhetően a cirkadián órák azért fejlődtek ki, hogy a különböző évszakokban és a bolygó különböző pontjain a nappali fény és a sötétség változó mennyisége ellenére is megfelelő alvási és ébrenléti időszakokat tartsanak fenn. A fiziológiai folyamatoknak a nappal-éjszaka ciklussal való szinkronizálásához (ezt nevezzük fotoentréningnek) a biológiai órának észlelnie kell a fényszint csökkenését az éjszaka közeledtével. Az ezeket a fényváltozásokat érzékelő receptorok – nem meglepő módon – a retina külső magrétegében találhatók; bár a szem eltávolítása megszünteti a fotoentrainmentet. Az érzékelők azonban nem a pálcikák vagy a csapok. Ezek a kevéssé ismert sejtek inkább a főemlősök és egerek retinájának ganglion- és amakrin sejtrétegében találhatók, és a hipotalamusz suprachiasmatikus magjába (SCN) vetülnek, amely általában a homeosztatikus funkciók cirkadián szabályozásának helye (28.4A. ábra). Ezek a sajátos retinális fotoreceptorok egy új fotopigmentet, a melanopszint tartalmazzák. Talán a legmeggyőzőbb bizonyíték azSCN egyfajta biológiai főóraként betöltött szerepére az, hogy eltávolítása kísérleti állatokban megszünteti az alvás és ébrenlét cirkadián ritmusát. Az SCN más, az alvás-ébrenlét ciklushoz szinkronizált funkciókat is szabályoz, beleértve a testhőmérsékletet (lásd a 28.3. ábrát), a hormonok kiválasztását, a vizelettermelést és a vérnyomás változásait. A cirkadián szabályozás sejtes mechanizmusait a B. doboz foglalja össze.
28.4. ábra
A cirkadián ritmus anatómiai alapjai. (A) A hipotalamusz,mutatja a suprachiasmatikus mag (SCN) elhelyezkedését, amely az emlősökben az elsődleges “biológiai óra”. A “szuprachiasmatikus” elnevezés a (tovább…)
A szuprachiasmatikus mag aktiválása válaszokat vált ki azokban az idegsejtekben, amelyek axonjai a gerincvelő oldalsó szarvában lévő preganglionikus szimpatikus idegsejtekhez vezetnek (28.4B ábra). Ezek a sejtek viszont modulálják a felső nyaki ganglionok idegsejtjeit, amelyek posztganglionikus axonjai a középvonalban, a háti talamusz közelében lévő tobozmirigyre (a tobozmirigy toboz alakú) vetülnek. A tobozmirigy szintetizálja az alvást elősegítő neurohormont, a melatonint (N-acetil-5-metoxitriptamin) triptofánból, és szekretálja a véráramba, hogy segítsen modulálni az agytörzsi áramköröket, amelyek végső soron az alvás-ébrenlét ciklust szabályozzák (lásd 615. o.). Az időseknél a tobozmirigy elmeszesedik és kevesebb melatonin termelődik, ami talán megmagyarázza, hogy az idősebbek miért alszanak kevesebbet és miért szenvednek gyakrabban álmatlanságban.
A melatoninszintézis a fény csökkenésével növekszik, és a maximális szintjét hajnali 2:00 és 4:00 között éri el.