Таким образом, сон имеет собственный ультрадианный ритм. Во время циклов, длящихся около 90 минут, мозг человека обычно проходит через различные стадии сна. Нарушения этого ритма могут быть причиной (или симптомом) душевного или физического заболевания.
Инфрадианные ритмы у человека
Более продолжительные циклы обычно труднее охарактеризовать и изучить, нежели те, период которых равен суткам или меньше их. У многих животных сезонные изменения в выработке гормонов сопровождаются целым рядом сдвигов в поведении и физических изменений. У самцов оленей, например, весной и летом начинают расти рога, которые позже становятся могучими и ветвистыми. С помощью этих рогов олени сражаются с соперниками, борясь за гарем в сезон спаривания. По окончании этого сезона самец теряет свои рога. Подобные четкие признаки показывают исследователю, когда у животных-самцов нужно изучать циклические изменения в уровне тестостерона.
У людей рога не растут, поэтому незначительные месячные, квартальные или годичные изменения в секреции гормонов, а также в локальной активности нервных клеток могут остаться незамеченными. Вот почему мы располагаем меньшей информацией об этих ритмах.
Репродуктивный цикл у женщины
Продолжительность женского репродуктивного цикла составляет около 28 дней. Каждый цикл начинается с того, что некоторые нейроны в преоптической области гипоталамуса (составляющего часть «континента» среднего мозга) приступают к выделению гонадолибертов - факторов, стимулирующих секрецию гонадотропных гормонов.
Через кровеносные сосуды, соединяющие гипоталамус с гипофизом, гонадолиберины (фоллиберин и люлиберин) поступают прямо в переднюю долю гипофиза, где в надлежащее время вызывают усиленный синтез и секрецию двух гормонов - фолликулостимулирующего (ФСГ) и лютеинизирующего (ЛГ).
ФСГ воздействует на яичник и стимулирует рост фолликула - полого пузырька, содержащего яйцеклетку, или яйцо. (Все яйца, которые будут произведены женщиной в течение жизни, присутствуют в яичниках уже в самом начале ее репродуктивного периода; там они созревают и выходят из яичника по одному в месяц.) По мере роста фолликул секретирует все больше эстрогена; этот гормон в свою очередь опять воздействует на гипофиз, тормозя дальнейшую секрецию. Кроме того, эстроген стимулирует выработку лютеинизирующего гормона, под воздействием которого стенки фолликула лопаются и высвобождают зрелое яйцо. Выход яйца называется овуляцией. Все эти события занимают от 10 до 14 дней.
После выхода яйца остатки фолликула претерпевают ряд изменений и превращаются в желтое тело. Под действием лютеинизирующего гормона желтое тело выделяет большие количества гормона прогестерона, который усиливает кровоснабжение стенки матки, подготавливая ее для имплантации яйца в том случае, если произойдет оплодотворение. Прогестерон оказывает также обратное воздействие на гипофиз - дает сигнал, тормозящий секрецию лютеинизирующего гормона. Если оплодотворения не произошло, уровень прогестерона падает, желтое тело уменьшается в размерах, а слизистая матки, подготовленная для принятия яйца, отторгается во время менструации. Механизм, контролирующий инфрадианный репродуктивный цикл у женщин, не вполне ясен. У некоторых животных эстральный цикл приурочен к циркадианным ритмам. (Репродуктивный цикл называют эстральным, если выстилающая матку слизистая рассасывается; если же она отторгается, цикл называют менструальным.) У самок хомячков, например, овуляция в норме происходит каждые 96 часов. Но если содержать их в постоянном полумраке, их циркадианные циклы сна и бодрствования удлиняются с 24 до 25 часов, а эстральные циклы - до 100 часов. Таким образом, замедление циркадианного ритма обусловливает и большую продолжительность астрального цикла.
У женщин существует некоторая связь между циркадианным ритмом температуры тела и инфрадианным репродуктивным циклом. Повышение температуры тела, измеренной сразу после пробуждения, на 0,2°С или больше по сравнению со средней температурой за 5 предыдущих дней означает, что происходит овуляция.
Некоторые факты свидетельствуют о том, что репродуктивные процессы у человека, вероятно, подвержены какому-то влиянию циркадианных ритмов. Из одного отчета о попытках имплантировать в матку женщины яйцеклетку, оплодотворенную в пробирке, можно узнать, что успешный результат имел место в четырех из 79 попыток. При этом все четыре случая успешного оплодотворения произошли между 10 часами вечера и полуночью, что составило 100% успеха для этого 2-часового периода (Elliott, 1979), Причина этого столь же мало понятна, как и факторы, определяющие время наступления большинства более крупных событий, связанных с репродуктивным циклом.
Сезонные ритмы
Сезонные ритмы, наблюдаемые у перелетных птиц и впадающих в спячку грызунов, в настоящее время хорошо изучены. Как мы убедились, эти ритмы генетически запрограммированы, но в некоторых случаях на них могут влиять и факторы внешней среды, такие как свет и температура.
Хотя у людей не бывает сезонных миграций и зимней спячки, некоторые из них все же испытывают своеобразную сезонную депрессию. В летние месяцы они находятся в хорошем настроении, деятельны, оптимистично смотрят на жизнь; однако с приходом зимы настроение у них ухудшается, они впадают в депрессию, апатию и пессимизм и чувствуют, что неспособны справиться с жизненными обстоятельствами.
Томас Уэр и его коллеги из Национального института психического здоровья изучали этот вид депрессии и пришли к выводу, что в его основе, вероятно, лежат нарушения сезонной ритмичности (Wehretal., 1979). Они высказали предположение, что люди с сезонными психическими отклонениями по какой-то причине не могут должным образом приспособиться к сезонным изменениям, когда дни становятся короче.
Исследователи предположили далее, что за зимнюю депрессию могут быть ответственны эпифиз и связанные с ним структуры мозга. У людей участками мозга, реагирующими на общую освещенность, являются, как полагают, супрахиазменные ядра, находящиеся в гипоталамусе. Нейроны этих ядер посылают сигналы (через несколько синапсов спинного мозга и симпатической нервной системы) эпифизу, в котором происходит превращение серотонина в мелатонин. (Напомним, что у некоторых животных концентрация мелатонина в ходе циркадианного цикла повышается только после наступления темноты.) В порядке эксперимента сезонную депрессию пробуют лечить, подвергая больного за несколько часов до наступления дня воздействию мощного источника света, содержащего волны всего спектра. И хотя неясно, имеет ли мелатонин какое-либо отношение к депрессии и результатам такого лечения, искусственное удлинение дня как будто помогает пациентам преодолеть депрессию.
Научные разработки в этой области носят весьма гипотетический и экспериментальный характер, так как механизмы, управляющие биологическими ритмами у человека, выявить очень трудно. И тем не менее каждый день приносит новые знания, и исследователи уже могут сформулировать достаточно обоснованные теории о пейсмейкерах (водителях ритма) человеческого мозга.
Функции биологических часов
Биологические часы, о которых мы говорили, выполняют ту же функцию, что и любые другие часы, - они измеряют время. Хотя точное число и размещение этих хронометров в нашем организме пока еще остается загадкой, известно, что наиболее подходящий кандидат на эту роль - супрахиазменное ядро - находится в гипоталамусе. Мы надеемся, что в недалеком будущем ученые смогут объяснить во всех деталях, как работают компоненты этого пейсмейкера - нервные сети, связи с другими структурами, медиаторы, которые он секретирует или получает, - для поддержания верного хода часов нашего организма.
Биологические часы измеряют время таким образом, чтобы нервная система могла приводить нужды организма в соответствие с условиями среды. Для обитателей нашей планеты наиболее заметной особенностью окружающей среды является суточный цикл света и темноты. Почти все ритмы, которые мы рассматривали, прямо или косвенно связаны со сменой дня и ночи. Даже сезонные ритмы, такие как миграции и зимняя спячка, зависят от каждодневных ритмов.
Все ритмы - это генетически запрограммированные продукты эволюции, позволяющие организму адаптироваться к окружающей среде. Однако программа не есть нечто жесткое: она позволяет организмам реагировать на некоторые изменения внешних условий, в частности на колебания количества света, связанные с изменениями длины дня на протяжении года. Даже для людей цикл света и темноты - это эффективный фактор поддержания биологических ритмов по установленному образцу. У людей, изолированных от световых и социальных сигналов, биологические часы переходят на свободнотекущий ритм и синхронность ритмов нарушается.
Социальные сигналы могут быть не менее важны для людей, чем любые другие времязадатели, ведь люди - это в конце концов «общественные животные», как назвал их Эллиот Аронсон. В одном исследовании, проведенном НАСА, две группы добровольцев, в каждой из которых было по четыре человека, находились в условиях постоянного освещения, что обеспечивало возможность свободного течения их ритмов. Члены каждой группы синхронизировались друг с другом, причем в одной группе поддерживался цикл, равный 24,4 часа, а в другой - 24,1 часа. Когда одного из испытуемых переводили из группы в группу, у него можно было наблюдать постепенное смещение фаз и синхронизацию ритмов с ритмами его новых товарищей. Одно только присутствие других людей уже обусловило такую синхронизацию (Vernikos-Danellis, Winget, 1979).
Добровольцы, в течение нескольких месяцев жившие в пещерах в полной изоляции, не только испытывали физический дискомфорт из-за десинхронизации биологических ритмов, но и сильно страдали эмоционально от столь длительного одиночества. Мишель Сиффр вел дневник на потяжении всех 6 месяцев полной изоляции. На 77-й день (который, по его мнению, был 63-м) он вспоминает, что после предыдущего 2-месячного пребывания в одиночестве он «испытывал острый физический и эмоциональный стресс». Он пишет, что теперь приблизительно в тот же срок не чувствует себя таким несчастным, но отмечает «слабость памяти; я не помню, что было вчера. Даже события сегодняшнего утра куда-то исчезли. Если я сразу же не записываю все, что со мной происходит, то тут же об этом забываю...» На 94-й день одиночества он пишет: «Я переживаю самый отчаянный период в моей жизни. Вынести столь долгое одиночество свыше человеческих сил».Таким образом, одиночество наложило свой отпечаток как на эмоциональное состояние человека, так и на его мышление и память. Эти аспекты деятельности человеческого мозга тесно взаимосвязаны.