Мы не можем вернуться в Средневековье, чтобы воспользоваться преимуществами долгой темной ночи, но если бы мы знали, как свет воздействует на наши биологические часы, то, возможно, смогли бы научиться использовать его для управления здоровьем. Поступая в аспирантуру, я хотел найти ответы на множество вопросов. Мне хотелось точно знать, как свет влияет на наши циркадные часы. Почему свечение компьютерного монитора может продержать нас без сна всю ночь, а на следующее утро нашему мозгу потребуется гораздо больше света, чтобы мы не уснули? Может, цветность света влияет на наши часы сильнее, чем яркость?
Если бы мы смогли выяснить, как яркость и цветность света воздействуют на наши часы в разное время суток, то получили бы возможность использовать свет для улучшения своего здоровья. Наверное, вы знаете, что при воздействии яркого солнечного света на кожу в нашем организме вырабатывается витамин D, однако это явление никак не связано с нашими внутренними часами. Свет действует на них только через наши глаза. Поэтому давайте поговорим о глазах.
Человеческий глаз работает подобно фотокамере. Он содержит миллионы клеток, известных как палочки и колбочки, которые улавливают детали изображения с высоким разрешением и посылают эту информацию по длинным отросткам нервных клеток в мозг. Сетчатка, или светочувствительная ткань, выстилающая глазное дно, содержит несколько миллионов палочек и колбочек, выполняющих функции фоторецепторов. Лучи света, проходящие через роговицу, зрачок и хрусталик, фокусируются на сетчатке. Сетчатка преобразует световые лучи в импульсы, которые проходят по зрительному нерву в мозг, где расшифровываются и переводятся в изображения, которые мы видим. Когда палочки и колбочки умирают, мы теряем способность видеть. Так бывает в некоторых случаях врожденной слепоты.
Современная жизнь в четырех стенах нарушает циркадные ритмы и вызывает предрасположенность к различным заболеваниям мозга.
Тем не менее у незрячих людей есть циркадные часы, подверженные воздействию света. Любопытно отметить, что многие из них способны «ощущать» свет. Согласно их сообщениям, когда они выходят из помещения на яркое солнце, то чувствуют какую-то яркость, наполняющую их глаза, и под воздействием яркого света их зрачки действительно сужаются, а когда они возвращаются в помещение, то расширяются. Незрячие люди и некоторые слепые животные способны подстраивать свой режим сна и бодрствования под сезонные изменения долготы дня.
Это явление было открыто в начале XX века, и почти 80 лет большинство ученых считали, что у незрячих могло оставаться какое-то количество дееспособных палочек и колбочек, которые создавали у них ощущение света. Однако проведенные в 1990-е годы эксперименты показали, что в глазах есть еще один вид рецепторов света, о котором раньше ничего не было известно32,33,34. В 2002 году три независимые группы исследователей, включая мою, обнаружили светочувствительный белок, который содержится в особых светочувствительных клетках сетчатки, помимо колбочек и палочек, и выполняет функцию фоторецептора, привязывающего суточный цикл сна и бодрствования к попадающему в глаза свету35,36,37,38. Из 100 тысяч нервных клеток сетчатки, которые передают всю световую информацию в мозг, лишь 5 тысяч содержат меланопсин39. Палочки и колбочки тоже могут осуществлять привязку циркадных часов, но лишь в случае отсутствия меланопсинсодержащих клеток; к тому же они справляются с этой задачей не столь эффективно. Вот почему незрячие люди, у которых потеряны палочки и колбочки, но сохранились неповрежденные клетки, содержащие меланопсин, способны ощущать свет. Однако этих клеток слишком мало, чтобы создать образ внешнего мира.
Чтобы понять, как работает данный фоторецептор, мы провели эксперимент на мышах, у которых предварительно удаляли либо ген, контролирующий меланопсин (меланопсинген), либо меланопсиновые клетки, хотя во всех прочих отношениях их глаза были совершенно нормальными: они хорошо видели и могли нормально ориентироваться. Когда у мышей при помощи трансгенных методов элиминируется этот ген, клетки остаются живыми, но, когда клетки удаляются, экспрессия гена прекращается. В случае элиминации меланопсингена информация о свете все равно может просачиваться в мозг мыши через меланопсиновые клетки. Однако после потери клеток все каналы связи между глазом и циркадной системой мозга исчезают.
Обычные мыши, как правило, просыпаются вечером (они ночные животные), а в светлое время суток спят. Но мыши, у которых отсутствуют меланопсинсодержащие клетки, не способны ощущать свет и темноту. Тем не менее, когда этих мышей помещали в постоянную темноту, их циркадные часы продолжали функционировать в привычном режиме: они засыпали и просыпались точно так же, как обычные мыши, и длительность цикла составляла 23 часа 45 минут. Однако мышам, лишенным меланопсина, было труднее приспосабливаться к незначительным изменениям длительности дня, происходящим в течение недели. В то время как обычные мыши могли согласовывать время засыпания и пробуждения с изменениями цикла света и темноты, происходящими в течение недели, у мышей, лишенных меланопсина, процесс согласования занимал минимум целый месяц. Кроме того, нормальные мыши замирают, когда ночью видят яркий свет. Но мыши, у которых меланопсин отсутствовал, не замирали при вспышках яркого света ночью и продолжали бегать. И наконец, воздействие света в ночное время не влияло на систему синтеза мелатонина у тех мышей, которые были лишены как меланопсин-гена, так и меланопсиновых клеток.