Фотопигмент регулира съня

Преди няколко години в една нова група в окото е открит непознат дотогава фотопигмент - меланопсин. Екип от немски учени е установил, че с помощта на този фотопигмент ще се помогне при лечение на смущения в циркадните ритми (биологичния часовник), за регулиране на циклите на бодърстване и сън.

Преди няколко години беше открита нова група ганглийни клетки в окото, които за предаване на светлинна информация използват непознатия дотогава фотопигмент меланопсин. Тези рецептори притежават директна фоточувствителност и не участват в процеса на виждане.

Посредством ретино-хипоталамичния тракт те кореспондират с биологичния часовник на човека, Nucleus suprachiasmaticus. Това е т. нар. супрахиазматично ядро - област с размер около 0,8 мм във вентралния хипоталамус, в която се смята, че е локализиран биологичният часовник при бозайниците, регулиращ циркадните ритми. 

Тези рецептори имат връзка и с други структури на хипоталамуса и таламуса, между които вентролатералното преоптично ядро, което играе важна роля в регулиране на циклите на сън и бодърстване.

Както вече е установено, меланопсинът е необходим за осигуряване на достатъчна продължителност и добро качество на съня. Освен това се оказва, че без наличието на меланопсин светлината нарушава естествения импулс за сън. Тези открития могат да поставят началото на нововъведения в областта на светлинната терапия, в лечението на циркадни нарушения на съня, както и при намиране на отговор на много клинични въпроси, а и такива, свързани с трудовата медицина.

Предаването на светлинна информация с помощта на меланопсин и неговото влияние върху циркадните ритми при човека междувременно е добре проучено. Към влиянието върху циркадните ритми обаче се добавя и директното влияние на светлината, като в този контекст ролята на меланопсина все още не е напълно изяснена.

Колективът учени, начело с Tsai JW, Hannibal J, Hagiwara G изследват директното влияние на светлината върху съня, будността и честотния спектър при електрокортикография при две отделни групи мишки: нокаут* и контролни мишки.

И двете групи мишки са изложени на влиянието на 4 фактора. От една страна те биват наблюдавани при стандартни условия – 12-часово наличие на светлина и 12-часова тъмнина, от друга страна 3 часа след започване на тъмнинната фаза следва 1-часова експозиция на светлина, съотв. 3 часа след началото на светлинната фаза следва 1-часова експозиция на тъмнина и в рамките на 24 часа мишките са поставяни произволно в условия на светлина и тъмнина за по 1 час.

Резултати: За разлика от контролните мишки при нокаут мишките не се индуцира сън при експозиция на светлина по време на тъмнинната фаза. Настоящото проучване доказва това и обяснява, че по това време на денонощието меланопсинът е необходим за непосредственото влияние на светлинния сигнал върху съня. При експозиция на нокаут мишки на тъмнина през светлинната фаза събуждането на нокаут мишките е отложено, но въпреки това е налично.
Редуващите се на всеки час експозиции на светлина и тъмнина показват, че нокаут мишките демонстрират ограничен отговор на светлинния сигнал през обичайното за тях време на активност (тъмнинната фаза), но не и по време на обичайното за тях време за сън (светлинната фаза). По време на този експеримент в поведението на нокаут мишките се наблюдава още една интересна промяна. В сравнение с контролните мишки те спят 1 час по-малко на ден и интензитета на техния тета- и гама-ритъм (обозначения за будно състояние и активност) е повишен. Принципно това води до повишена нужда от сън, което е видно от повишаване на делта-активността.

Все пак нокаут мишките демонстрират ограничена делта-активност в сравнение с контролните мишки, дори когато е направен опит да се повиши нуждата от сън посредством целенасочено лишаване от него.

Извод: Изглежда, че директният светлинен сигнал се предава комбинирано от ганглийни клетки в ретината, съдържащи меланопсин, и конични и пръчковидни клетки. Сензитивността на последните търпи колебания през различните моменти на денонощието, което меланопсинът изглежда компенсира. Предполага се, че и при човека предаването на директния светлинен сигнал става с помощта на меланопсина. Меланопсинът показва максимума на спектралната чувствителност в синия спектър (около 480 nm) и по това се отличава от колбичките/пръчките. Най-голямата чувствителност на светлина на човешкия цикъл на бодърстване и сън също попада в този диапазон.

Неочаквани са резултатите за ролята на меланопсина в регулирането на съня. Независимо за кой момент от деня става въпрос и какво е количеството на светлината липсата на меланопсин води до понижено качество и намаляване продължителността на съня от една страна и от друга до намалена способност за компенсиране недостига на сън – и двете предизвикани от невъзможността да се постигне адекватна необходимост от сън. „Вина“ както за острото, светлинно индуцирано насърчаване на съня, така и повлияването регулацията на съня поне отчасти имат активиращите съня неврони в предната част на хипоталамуса. Имунохистохимични изследвания показват, че меланопсинът е необходим за модулиране на тяхната активност.

Проучването на разнообразните функции, в които меланопсинът взима участие, било то неговото влияние върху циркадните ритми, директните светлинни сигнали или регулирането на съня, ще даде основа както за клинични приложения, така и за изследвания в областта на трудовата медицина. Ако се докаже, че откритите в животинския организъм механизми функционират по същия начин и при хората, меланопсинът ще бъде разглеждан като вероятен помощник при лечение на смущения в циркадните ритми, като напр. десинхроноза (нарушаване на синхрона между механичния и биологичния часовник), и регулиране на циклите на бодърстване и сън.

Зависимостта на циркадните ритми от директния светлинен сигнал може да се превърне в основа за създаване на нови концепции в областта на светлинната терапия. Изследване при човешки организми вече доказа, че облъчването със светлина с кратка дължина на вълната (460 nm) повишава будността и продуктивността на хората – ново начало, което би могло да спомогне за разработване на нововъведения с оглед постигане на по-голяма сигурност и повишаване ефективността на работа, когато се касае за извършване на трудова дейност през тъмната част от денонощието или за монотонни дейности по наблюдение и контрол.

* Нокаут мишки – мишки, при които посредством генетичната техника нокаут от клетките е премахнат меланопсинът.

Още по темата

24/04/2015

Физика

Нов тип часовник ще определи дали природните константи наистина са постоянни

16/04/2015

Животът

Обратим процес ли е нарушаването на съня вследствие на остаряване?