Human sen występuje z circadian (circa = około, idia = dzień) okresowość, a biolodzy zainteresowani w rytmach okołodobowych zbadali szereg pytań na temat tego cyklu dobowego. Co się dzieje, na przykład, gdy jednostki są uniemożliwione wyczuwania wskazówek, które normalnie mająabout noc i dzień? Pytanie to zostało rozwiązane przez umieszczenie ochotników w środowisku (jaskinie lub bunkry były czasami używane) bez zewnętrznych wskazówek o czasie (rysunek 28.3). Podczas pięciodniowego okresu aklimatyzacji, który obejmował interakcje społeczne, posiłki w normalnych porach i czasowe wskazówki (radio, telewizja), badani budzili się i kładli się spać w zwykłych porach i utrzymywali 24-godzinny rytm snu i czuwania. Po usunięciu tych wskazówek, jednak, thesubjects obudził się później każdego dnia, a cykl snu i czuwania stopniowo wydłużył się do około 28 godzin zamiast normalnego 24. Kiedy ochotnicy zostali przywróceni do normalnego środowiska, 24-godzinny cykl został szybko przywrócony. Tak więc, ludzie (i wiele innych zwierząt; patrz ramkaB) mają wewnętrzny „zegar”, który nadal działa w przypadku braku jakiejkolwiek zewnętrznej informacji o porze dnia; w tych warunkach, zegar jest powiedział, że jest „free running.”
Rysunek 28.3
Rytm czuwania (linie niebieskie) i snu (linie czerwone) ochotnika w komorze izolacyjnej z i bez wskazówek o cyklu dzień-noc.Liczby reprezentują średnią ± odchylenie standardowe pełnego cyklu czuwania/spania w każdym okresie (więcej…)
Box B
Molecular Mechanisms of Biological Clocks.
Prawdopodobnie zegary okołodobowe ewoluowały, aby utrzymać odpowiednie okresy snu i czuwania pomimo zmiennej ilości światła dziennego i ciemności w różnych porach roku i w różnych miejscach na planecie. Aby zsynchronizować fizjologiczneprocesy z cyklu dzień-noc (zwanego fotoentrainment), zegar biologicznymuszą wykrywać spadki poziomu światła w miarę zbliżania się nocy. Receptory, które wyczuwają te zmiany światła znajdują się, co nie jest zaskakujące, w zewnętrznej warstwie jądrowej siatkówki; chociaż usunięcie oka znosi zjawisko fotopociągu. Detektory nie są, jednak, pręciki lub czopki. Raczej te słabo poznane komórki leżą w warstwach komórek zwojowych i amakrynowych siatkówki naczelnych i myszy, i rzutują do jądra nadskrzyżowaniowego (SCN) podwzgórza, miejsca kontroli okołodobowej funkcji homeostatycznych ogólnie (rysunek 28.4A). Te osobliwe fotoreceptory siatkówki zawierają nowy fotopigment zwany melanopsyną. Być może najbardziej przekonującym dowodem na rolę SCN jako swego rodzaju głównego zegara biologicznego jest to, że jego usunięcie u zwierząt doświadczalnych znosi ich rytm okołodobowy snu i czuwania. SCN reguluje również inne funkcje, które są zsynchronizowane z cyklem sen-budzenie, w tym temperaturę ciała (patrz rysunek 28.3), wydzielanie hormonów, produkcję moczu i zmiany ciśnienia krwi. Mechanizmy komórkowe kontroli okołodobowej są podsumowane w ramce B.
Figure 28.4
Anatomical underpinnings of circadian rhythms. (A) Podwzgórze, pokazując lokalizację jądra nadskrzyżowaniowego (SCN), które u ssaków jest głównym „zegarem biologicznym”. Nazwa „nadpajęczynówkowe” pochodzi od (więcej…)
Aktywacja jądra nadpajęczynówkowego wywołuje odpowiedzi w neuronach, których aksony opadają do przedzwojowych neuronów współczulnych w rogu bocznym rdzenia kręgowego (rysunek 28.4B). Komórki te z kolei modulują neurony w zwojach szyjnych górnych, których aksony postganglionowe rzutują do szyszynki (szyszynka oznacza kształt szyszki) w linii środkowej w pobliżu wzgórza grzbietowego. Szyszynka syntetyzuje promujący sen neurohormon melatoninę (N-acetylo-5-metoksytryptaminę) z tryptofanu, i wydziela ją do krwiobiegu, aby pomóc modulować obwody pnia mózgu, które ostatecznie regulują cykl sen-budzenie (patrz str. 615 i następne). Przewidywalnie, melatoninaynthesis wzrasta jak światło zmniejsza się i osiąga maksymalny poziom między 2:00 i4:00 rano. W starszych, szyszynka zwapnienia i mniej melatoniny jestproduced, być może wyjaśniając, dlaczego starsi ludzie śpią mniej godzin i są bardziej często dotknięte bezsennością.
.