Новые исследования изменили существовавшую теорию биологических часов

Математики из Мичиганского универсистета и их британские коллеги сообщают, что они идентифицировали сигнал, который мозг посылает организму для управления биологическими ритмами. Их открытие опрокидывает существовавшую длительное время теорию о наших внутренних часах.

Понимание того, как работают в человеке биологические часы, является существенным для решения проблем, связанных со сном, таких как бессонница и нарушения суточного ритма организма в связи с перелетом. Новое понимание нашего центрального водителя ритма может в один прекрасный день помочь трактовке болезней, связанных с внутренними часами, включая рак, болезнь Альцгеймера и душевные расстройства.

«Понимание процесса поможет нам научиться регулировать его, для того чтобы помочь людям, - сказал адъюнкт-профессор математики Дэниел Форгер (Daniel Forger) из Мичиганского университета. – Мы взломали код, и информация может иметь огромное влияние на все виды болезней, связанных с нарушением биоритмов».

Главный хронометр человека располагается в центральной области мозга, называемой надхиазмические ядра. В течение десятилетий исследователи полагали, что он определяет ритм, с которым клетки генерируют электрические импульсы внутренних часов, - быстрый в течение дня и медленный ночью. Тело слышит «тики» и регулирует свои дневные ритмы, известные также как циркадные. Таковы были взгляды на это явление в течение двух десятилетий. Но новые данные, полученные проф. Форгером и его коллегами, показали, что «старая модель ошибочна».

Истинный механизм сигнализации совсем другой. Метки времени, посылаемые из надхиазмического ядра, кодируются в сложную картину возбуждения, которая ранее не была выявлена.

Чтобы проверить предсказания математической модели, британские ученые сняли данные картины возбуждения клеток упомянутой выше области более чем с 400 мышей. Затем они ввели экспериментальные результаты в модель и обнаружили, что они практически точно совпадают с предсказаниями модели.

Хотя эксперименты проводились на мышах, проф. Форгер сказал, что, вероятнее всего, подобный механизм работает и у людей, поскольку системы биоритмов подобны у всех млекопитающих.

Надхиазмические ядра содержат как клетки «часов» (которые определяются геном per1), так и обычные клетки. В течение многих лет исследователи циркадных ритмов записывали электрические сигналы от совокупности этих двух типов клеток. Это давало неправильную картину работы внутренних часов.

Но британским коллегам Форгера удалось отделить «часовые» клетки от «нечасовых», установив соответствующее начало отсчета (нулевой уровень сигнала). Затем они записали электрические сигналы только «часовых» клеток. Картина укрепила новую теорию.

Исследователи обнаружили, что в течение дня клетки с геном per1 поддерживали электрически активное состояние, но не возбуждались. Они возбуждались на короткий период с приходом сумерек, затем оставались спокойными в течение ночи, испытывая другое возбуждение перед рассветом. Эта картина возбуждения является сигналом, или кодом, который мозг посылает остальному телу, так что оно может поддерживать ритм.

«Согласно старой теории «часовые» клетки возбуждаются быстро в течение дня, но медленно в течение ночи. Но теперь мы показали, что клетки, которые действительно содержат часовой механизм, являются спокойными в течение дня», - сказал аспирант Кейзи Дикман (Casey Diekman). 

Открытие также поднимает важный вопрос, работает ли мозг как аналоговая или как цифровая машина.