Somnul uman se produce cu periodicitate circadiană (circa = aproximativ, șidia = zi), iar biologii interesați de ritmurile circadiene au explorat o serie de întrebări despre acest ciclu zilnic. Ce se întâmplă,de exemplu, atunci când indivizii sunt împiedicați să simtă indiciile pe care le au în mod normalcu privire la noapte și zi? S-a răspuns la această întrebare prin plasarea voluntarilor într-un mediu (uneori au fost folosite peșteri sau buncăre) fără indicii externe despre timp (figura 28.3). În timpul unei perioade de cinci zile de aclimatizare care a inclus interacțiuni sociale, mese la ore normale și indicii temporale (radio, TV), subiecții s-au trezit și s-au culcat la orele obișnuite și au menținut un ritm de somn-veghea de 24 de ore. Cu toate acestea, după eliminarea acestor indicii, subiecții s-au trezit mai târziu în fiecare zi, iar ciclul de somn și veghe s-a prelungit treptat până la aproximativ 28 de ore în loc de 24 de ore, cât este normal. Atunci când voluntarii au fost readuși într-un mediu normal, ciclul de 24 de ore a fost restabilit rapid. Astfel, oamenii (și multe alte animale; a se vedea caseta B) au un „ceas” intern care continuă să funcționeze în absența oricărei informații externe despre ora din zi; în aceste condiții, se spune că ceasul este „liber.”
Figura 28.3
Ritmul de trezire (linii albastre) și de somn (linii roșii) al unui voluntar într-o cameră de izolare cu și fără indicii despre ciclul zi-noapte.Numerele reprezintă media ± deviația standard a unui ciclu complet de trezire/somn în timpul fiecărei perioade (continuare…)
Cad. B
Mecanismele moleculare ale ceasurilor biologice.
Prezumabil, ceasurile circadiene au evoluat pentru a menține perioade adecvate de somn și veghe în ciuda cantității variabile de lumină naturală și întuneric în diferite anotimpuri și în diferite locuri de pe planetă. Pentru a sincroniza procesele fiziologice cu ciclul zi-noapte (numit fotoincentrare), ceasul biologic trebuie să detecteze scăderile nivelului de lumină pe măsură ce se apropie noaptea. Receptorii care detectează aceste schimbări de lumină se află, nu în mod surprinzător, în stratul nuclear extern al retinei; deși îndepărtarea ochiului elimină fotoîncadrarea. Detectorii nu sunt,însă, bastonașele sau conurile. Mai degrabă, aceste celule puțin cunoscute se află în straturile de celule ganglionare și amacrine din retina primatelor și a murinelor și se proiectează în nucleul suprachiasmatic (SCN) al hipotalamusului, locul unde are loc controlul cronic al funcțiilor homeostatice în general (figura 28.4A). Acești fotoreceptori retinieni deosebiți conțin un fotopigment nou numit melanopsină. Poate că cea mai convingătoare dovadă a rolului NSCN ca un fel de ceas biologic principal este faptul că îndepărtarea sa la animalele experimentale anulează ritmul circadian al somnului și al trezirii. SCN guvernează, de asemenea, alte funcții care sunt sincronizate cu ciclul somn-veghe, inclusiv temperatura corpului (a se vedea figura 28.3), secreția de hormoni, producția de urină și modificările tensiunii arteriale. Mecanismele celulare de control circadian sunt rezumate în CasetaB.
Figura 28.4
Bazele anatomice ale ritmurilor circadiene. (A) Hipotalamusul,care arată localizarea nucleului suprachiasmatic (SCN), care la mamifere este „ceasul biologic” primar. Denumirea de „suprachiasmatic” provine de la (continuare…)
Activarea nucleului suprachiasmatic evocă răspunsuri în neuronii ai căror axoni descind la neuronii simpatici preganglionari din cornul lateral al măduvei spinării (figura 28.4B). Aceste celule, la rândul lor, modulează neuronii din ganglionii cervicali superiori ai căror axoni postganglionari se proiectează la glanda pineală (pineal înseamnă în formă de piune) în linia mediană, în apropierea talamusului dorsal. Glanda pineală sintetizează neurohormonulemelatonina (N-acetil-5-metoxitriptamina), care favorizează somnul, din triptofan și îl secretă în sânge pentru a ajuta la modularea circuitelor din trunchiul cerebral care guvernează în cele din urmă ciclul somn-veghe (a se vedea p. 615 și urm.). În mod previzibil, sinteza melatoninei crește pe măsură ce lumina scade și atinge nivelul maxim între orele 2:00 și 4:00 a.m. La vârstnici, glanda pineală se calcifiază și se produce mai puțină melatonină, explicând poate de ce persoanele în vârstă dorm mai puține ore și sunt mai des afectate de insomnie.
.