Мозг – повелитель времени

КАК ПОДРОСТКИ, КОТОРЫЕ ТРАТЯТ С ТРУДОМ ЗАРАБОТАННЫЕ ДЕНЬГИ НА ИГРОВЫЕ АВТОМАТЫ, ТАК И ГРЫЗУНЫ ГОТОВЫ «ПОРАБОТАТЬ» ЗА ВОЗМОЖНОСТЬ ПОБЕГАТЬ В КОЛЕСЕ. А ЕСЛИ К КОЛЕСУ ПРИКРЕПЛЯЮТ ТОРМОЗА, КРЫСЫ НАЖИМАЮТ НА РЫЧАГ, ЧТОБЫ ОТСОЕДИНИТЬ ТОРМОЗА И РАЗОГНАТЬСЯ.

Рис. 3.1. Актограмма движения мыши в колесе. Ночная активность мыши отражается в виде вертикальных черных штрихов, соответствующих полному обороту колеса. Если мыши постоянно находятся в темноте, их циркадный ритм сохраняется, но его период снижается до 23,5 ч, что видно по смещению графиков влево. Для наглядности и во избежание промежутков на графике данные для каждого следующего дня показаны справа и внизу по отношению к данным текущего дня. Воспроизводится с модификациями в соответствии со статьей Yang et al., 2012.

На протяжении тысячелетий считалось, что суточные вариации длительности сна и бодрствования определяются внешними сигналами, главным образом, временем заката и восхода. Однако эксперименты такого типа, как описан на рис. 3.1, показали, что даже при отсутствии внешних сигналов у животных продолжается привычный ритм сна и бодрствования, питания и изменений температуры тела. Такая цикличность означает, что где-то в организме существуют внутренние часы, отсчитывающие циркадный (circadian) ритм жизни (circa означает «около», а dian означает «день»).

Насколько точны эти внутренние (биологические) часы, и как их сопоставить с часами, сделанными руками человека? Главные характеристики любых часов — как биологических, так и рукотворных — стабильность хода и точность. Стабильность отражает среднее отклонение показаний за множество циклов, тогда как точность указывает на близость показаний часов к эталонному значению. Если колебание маятника должно совершаться за 1 с, а средний период колебания составляет 0,8 с, такие часы нельзя назвать очень точными (погрешность составляет 20 %). Но если за десятки тысяч колебаний минимальный и максимальный период колебания остается в пределах от 0,79999 до 0,80001 с, стабильность хода таких часов очень высока. Как следует из рис. 3.1, период циркадного ритма мышей не соответствует в точности 24 ч, а ближе к 23,5 ч.43 Таким образом, по отношению ко времени вращения планеты биологические часы мышей все же достаточно точные (отклонение составляет около 2 %). У животных, ведущих ночной образ жизни, период циркадного ритма обычно чуть меньше 24 ч, а у животных, ведущих дневной образ жизни, таких как человек, он чуть больше 24 ч. А вот стабильность биологических часов весьма показательна. Это видно из рис. 3.1: сдвиг к более раннему началу активности примерно одинаков изо дня в день. Исследования показывают, что при жизни в полной темноте стандартное отклонение времени начала активности мышей не превышает 10–20 мин, что для периода в 23,5 ч составляет около 1 %44.

Именно эта удивительная стабильность циркадного ритма, по-видимому, позволяет некоторым людям ежедневно просыпаться в одно и то же назначенное время. Вот что писал об этом Уильям Джеймс в трактате «Принципы психологии»: «Всю жизнь меня поражало, что каждую ночь и каждое утро я просыпаюсь в одно и то же время с точностью до минуты». Однако в лабораторных экспериментах такая удивительная стабильность наблюдается далеко не всегда. По-видимому, самопроизвольное пробуждение отчасти связано со способностью спящего мозга улавливать какие-то внешние сигналы45. Тем не менее, как мы увидим в главе 7, стабильность в 1 % превышает стабильность часовых механизмов, создававшихся часовщиками вплоть до XVII в., когда Христиан Гюйгенс изобрел новые часы с маятником.

ЖИЗНЬ В ИЗОЛЯЦИИ

Циркадный ритм, наблюдающийся без воздействия каких-либо внешних сигналов, называют свободным циркадным ритмом. Изучение свободного циркадного ритма у людей осложняется тем, что для таких экспериментов нужны добровольцы, соглашающиеся жить в полной изоляции от внешнего мира на протяжении многих дней или даже месяцев. В одном из самых знаменитых экспериментов такого рода в 1972 г. французский геолог Мишель Сифр шесть месяцев прожил в пещере в Техасе. Эксперимент был выполнен в рамках одного из проектов НАСА, предпринятого с целью изучения влияния длительной изоляции на тело и мозг участников будущих межпланетных экспедиций. Сифр расположился в пещере глубоко под землей, куда ему поставляли воду и пищу, и где установили оборудование, регистрировавшее его режим сна. Освещенность и температура в пещере никак не менялись в зависимости от времени суток на поверхности, так что Сифр никак не мог определить время. Он жил в «свободном ритме», но, в отличие от лабораторных мышей, не был в постоянной темноте. В любой момент он мог позвонить на поверхность и попросить включить или выключить свет в пещере.