Vidiniai laikrodžiai mūsų kūne. UFO Page. Lithuanian

Biopsichologas John Gibbon'as laiką pavadino „pirmapradžiu kontekstu“. Jis svarbus gėlei, išskleidžiančiai žiedlapius auštant, žąsims, skrendančioms į pietus rudenį, skėriams, besispiečiantiems kas 17 m… Žmogaus kūne biologiniai laikrodžiai skaičiuoja sekundes, minutes, dienas, mėnesius ir metus. Jie valdo sekundžių dalis trunkančius teniso padavimus, kasmėnesinius menstruacijos hormonų išskyrimus... Ląstelių chronometrai netgi nusprendžia, kada pasibaigė jūsų laikas. Laikrodis nustoja tiksėti; ir tada mirštame.

Jie tokie pat įvairūs, kaip kad skirtingi sekundometrai ir saulės laikrodžiai. Vieni jų labai tikslūs ir nesikeičia; kiti mažiau patikimi, tačiau pavaldūs sąmonei. Vieni priklauso nuo planetų ciklų, kiti remiasi molekuliarine struktūra. Šių laiko matuoklių fiziologija tebėra neaiški. Tačiau jau randami atsakymai į kai kuriuos klausimus. Kodėl stebimas puodas neužverda? Kodėl laikas bėga greičiau, kai esate laimingi? Kodėl žmonės gyvena ilgiau nei žiurkėnai?

Jei straipsnis šis jus sudomino, laikas jį skaitant prabėgs greitai. Jei jis nepatinka, jis bėgs kankinamai ilgai. Tai smegenų „sekundometro“ ypatybė – kai nustatomi laiko intervalai. Tas sekundometras padeda nustatyti, kaip greitai turite bėgti, kad sugautumėt kamuolį. Jis pasako, kiek dar galite pasivolioti lovoje nuskambėjus žadintuvui.

S.M. Rao [„Neurognostics“ steigėjas ir vienas fMRI pionierių] funkcinio magnetinio rezonanso (fMRI) tyrimas nurodė, kurios smegenų vietos atsakingos už tokį laiko intervalų nustatymą. Tyrimo metu išklausomi Brain structure: basal ganglia

dvi tonų poros ir sprendžiama, ar intervalas pirmoje yra trumpesnis nei antroje. Už tai atsakingos smegenų dalys sunaudoja daugiau deguonies. Vieni pirmųjų yra pamato mazgai (basal ganglia), ilgai sieti su judėjimo valdymu. Vienoje jų vietoje, vadinamoje dryžuotuoju kūnu (corpus striatum), yra įtartinai gausu tankiai sujungtų nervų ląstelių, gaunančių signalus iš kitų smegenų sričių. Ilgos šių ląstelių ataugos turi 10-30 tūkst. spyglių, kurių kiekvienas renka informaciją vis iš kito neurono kitoje srityje. Šie dygliuoti dryžuotojo kūno neuronai yra kritinė smegenų dalis [daugiau apie smegenų struktūrą žr. >>>>>].

W.H. Meck'o^*) sukurtoje teorijoje jų vaidmuo svarbiausias laiko intervalų nustatymui. Laikoma smegenų žievėje esant osciliatorių, vibruojančių skirtingais ritmais neatsižvelgiant į kaimynų dažnį. Žinoma, kad dauguma smegenų žievės ląstelių vibruoja 10-40 kartų per sekundę be išorinio dirginimo – kiekviena savo dažniu, „tarsi žmonės kalbantys miniose“.

Tie osciliatoriai sujungti su dryžuotuoju kūnu milijonais signalus perduodančių ataugų, tad dryžuotojo kūno dygliuoti neuronai gali „klausytis“ visų tų „pokalbių“. Tarkim, kažkas (pvz., teniso kamuoliukas) patraukia smegenų žievės dėmesį. Visiems žievės neuronams pasiunčiamas stimuliuojantis signalas sukeliantis būdingą elektrinį piką, įvykstantį maždaug po 300 ms. Jis suveikia kaip šūvis, po kurio žievės ląstelės atnaujina savo nuosavus virpesius.

Tačiau, kadangi jie pradėjo vienu metu, ciklai sudaro atgaminamą nervų veiklos atkarpą. Dygliuoti neuronai stebi tą veiklą, kuri padeda „paskaičiuoti“ praėjusį laiką. Intervalo gale (pvz., atlėkus teniso kamuoliukui), pagrindinio nervų mazgo dalis, vadinama „juodąja medžiaga“ (substantia nigra) į dryžuotąjį kūną siunčia neurotransmiterio dopamino dozę. Tai priverčia dygliuotus neuronus užrašyti smegenų žievės osciliatorių būseną – sukuriamas tarsi smegenų žievės kadras. „Kiekvienam intervalui yra unikalus laiko atspaudas“, sako Meck'as.

Kai tik dygliuotas neuronas gauna laiko atspaudą tam įvykiui, įvykio pasirodymas priverčia tiek „iššauti“ smegenų žievės sinchronizavimo signalą, tiek pasiųsti dopaminą to intervalo pradžioje. Dopaminas nurodo dygliuotiems neuronams pradėti stebėti tolimesnius žievės impulsus. Kai dygliuoti neuronai aptinka laiko atspaudą, žymintį intervalo pabaigą, jie pasiunčia elektros pulsą iš dryžuotojo kūno į kitą smegenų centrą vadinamą gumburu (thalamus). Šis, savo ruožtu, komunikuoja su smegenų žieve ir atliekamos aukštesnio lygio funkcijos, tokios kaip prisiminimas ar sprendimo priėmimas. Tokiu būdu laiko nustatymo mechanizmas apsisuka ratu nuo žievės prie dryžuotojo kūno, tada per gumburą vėl prie žievės.

Jei Meck'as yra teisus ir dopamino perdavimas vaidina svarbų vaidmenį laiko intervalų nustatyme, tada susirgimai ir vaistai, kurie veikia dopamino lygį, gali sutrikdyti tą ciklą. Būtent tai Meck'as ir kiti nustatė. Sergančiųjų Parkinsono liga smegenys išskiria mažiau dopamino dryžuotame kūne ir jų laikrodžiai sulėtėja. Tiriant matosi, kad šie pacientai nuolat klaidingai įvertina laiko intervalus. Marihuana taipogi sumažina dopamino lygį ir sulėtina laiko suvokimą. Atpalaiduojantys stimuliatoriai, kaip kokainas ir methamphetaminas padidina dopamino lygį ir pagreitina laikrodžius. Adrenalinas ir kiti streso hormonai taip pat pagreitina "laikrodžius", todėl sekundės pasirodo tarsi valandos. Gilaus susimąstymo ar ekstremalių emocijų situacijos gali "užtvindyti" ar apeiti sistemą – tada gali atrodyti, kad laikas sustojo arba visai neegzistuoja. Kadangi dėmesio atkreipimas inicijuoja laiko nustatymo procesą. Meck'as spėja, kad žmonės su sutrikusiu dėmesiu gali irgi turėti problemų jaučiant laiką. Vidinis laikrodis gali būti treniruojamas didesniam tikslumui. Muzikantai ir atletai žino, kad pratybos tobulina laiko pajautą

Vienas iš vidinių sekundometrų privalumų yra jų lankstumas. Valios pastangomis galime juos sustabdyti ar paleisti, o taip pat nekreipti į juos dėmesio. Tačiau "laikrodžių" tikslumas nėra didelis – ir svyruoja tarp 5-60%. Jie prasčiau veikia kai žmogus išsiblaškęs ar veikiamas įtampos. Ir laiko nustatymo klaidos tuo didesnės, kuo ilgesni intervalai.

Laimei, tvarkingesnis laikrodis muša kas 24 val. Cirkadinis (nuo "circa" – apie ir "diem" – diena) laikrodis suderina mūsų kūnus pagal Saulės šviesos ir tamsos ciklą. Jis yra kiekviename organe ir kiekvienoje ląstelėje ir padeda reguliuoti paros įpročius, tokius kaip miegą naktį ir pabudimą ryte. Tačiau jo įtaka yra platesnė. Kūno temperatūra reguliariai pakyla vėlyvą popietę, o nukrenta kelios valandos iki pabundant. Kraujo spaudimas paprastai pradeda svyruoti 6-7 val. Streso hormono kortisolio sekrecija rytą 10-20 kartų didesnė nei naktį. Šlapinimosi ir tuštinimosi procesai paprastai nevyksta naktį ir atsistato ryte.

Cirkadinis laiko reguliavimas labiau panašus į laikrodį, o ne sekundometrą, nes veikia be išorinio poveikio. Tyrimai parodė, kad jis išlieka net nesant dienos šviesos. Ir jis pasireiškia kiekvienoje kūno ląstelėje. Tačiau dienos šviesa padeda jam susiderinti. Pažanga to proceso supratime nemaža. Du nervų ląstelių (po 10 tūkst.) sankaupos smegenų pogumburis (hypothalamus) nuo seno laikomos laikrodžio buveine. Tyrimai rodo, kad tie centrai, dažnai vadinami supračiasmatiniu branduoliu (SCN), valdo kraujo spaudimo, kūno temperatūros, aktyvumo ir budrumo fliuktuacijas. Jie taip pat nurodo kankorėžinei liaukai (pineal), kada išskirti melatoniną, sukeliantį žmogui miegą ir gaminamą tik naktį.

2002 m. atskiros tyrinėtojų komandos įrodė, kad akių tinklainės ląstelės perduoda informaciją apie šviesos lygius į SCN. Tos ląstelės, nervų ląstelių poaibis, veikia visiškai nepriklausomai nuo stiebelių ir kolbelių (bacili; coni), kurios yra tarpininkės vaizdo atpažinime ir gerokai mažiau jautrios staigiems šviesos pokyčiams. Tas nerangumas atitinka cirkadinę sistemą.

Mokslininkai spėjo, kad SCN kažkaip koordinuoja visų ląstelių laikrodžius. Paskutinio dešimtmečio viduryje buvo atrasti keturi pagrindiniai genai, kurie valdo cirkadinius ciklus. Tie genai randasi visuose audiniuose. Grubiai aiškinant - dieną to geno baltymo randasi vis daugiau, o jisai slopina savo geną – ir taip praktiškai jį išjungia. Naktį baltymo kiekis mažėja, nes jį suskaido kiti baltymai, ir genas „prabunda“. Taip pat M. Menaker'is įrodė, kad išoriniai veiksniai gali keisti cirkadinį ritmą audiniuose, tačiau to paties SCN geno cirkadinis ciklas lieka nepakitęs. Tad atsisakyta SCN atsakomybės už lokalius laikrodžius: "Kūne yra osciliatoriai, funkcionuojantys atskirai nuo osciliatorių smegenyse". Tai reiškia, kad pagrindiniai ciklai valdomi SCN, nors budrumo sąlygos (pvz., pamaininis darbas) keičiasi. Tad nenuostabu, kad dirbantys pamaininį darbą dažniau serga širdies ligomis, virškinimo sistemos bei miego sutrikimais.

Tirti laiko pojūtį gana sunku, nes neturime tam skirto organo. Tad tyrimus tenka atlikti su gyvūnais. Vienas eksperimentų su beždžionėmis aprašytas 2015 m. „Current Biology“ straipsnyje. Joms reikėjo įsiminti laiko tarpą tarp dviejų šviesos žybsnių ir tada praėjus tiek pat laiko paspausti mygtuką. Tyrinėtojai pastebėjo, kad tuo metu padidėja neuronų, atsakingų už sensorinę informaciją ir valdančių judesius, aktyvumas. Kai impulsų kiekis juose pasiekdavo tam tikrą ribą, beždžionė paspausdavo mygtuką. O kadangi laiko tarpai kito, tai aktyvumas kito staigiai arba lėčiau, priklausomai nuo laiko tarpo.

Panašūs rezultatai gauti ir stebint hipokampo, laikomo vienu pagrindinių atminties centrų, neuronus. Be to hipokampe saugomi ir vietų žemėlapiai – specialios ląstelės įsimena aplinką ir aktyvuojasi vėl atsidūrus ten. Tad atrodo visai logiškai, kad hipokampas įsimena ir laiką. Bet kas verčia neuronus sekti laiką?

Greta hipokampo yra zona, vadinama entorinaline žieve, irgi turinti svarbų vaidmenį įsiminime. Prieš keletą metų jos šoninėje srityje aptiko ypatingus neuronus, kuriuos pavadino laiko konteksto ląstelėmis. Jos draugiškai aktyvuojasi, kai smegenys susiduria su nauja patirtimi – pvz., kai reikia ištirti naują vietovę. O tada palaipsniui „nutyla“ – kiekvienas savo tempu. Tad aiškinantis vietovę atskirus laiko momentus atitinka sava ląstelių būsenų konfigūracija. Toji informacija siunčiama į hipokampą, kur ją įsimena jau hipokampo ląstelės. Taip sudaroma vietovės laikinis žemėlapis. O perėjus į naują vietą likusios aktyvios ląstelės leidžia du laikinius žemėlapius „susiūti“ į vieną. Taip smegenys sugeba nustatyti, kokia seka vyko įvykiai ir kiek laiko praėjo tarp jų.

Neurobiologai jau senokai atsisakė minties, kad kažkur smegenyse yra autonominis laikrodis, „tiksintis“ nepriklausomai nuo to, kas vyksta. Visų pirma, tai nenaudinga dėl resursų – toks „laikrodis“ reikalautų per daug energijos. Laiką reikia matuoti tada, kada reikia. Be to, laikas turi prasmę tik asmeninės patirties kontekste. O ir kam reikia tikslaus laikrodžio kūne, kai yra saulė danguje?!

Beje, laiko subjektyvumą pavyko įrodyti bandymais. Kai žiurkes vertė ištirti aštuoniukės formos labirintą, laiko neuronai tapdavo mažai aktyviais. Žiurkės tokiame labirinte laikas nuo laiko atlikdavo tuos pačius veiksmus, pasukdamos tai į vieną, tai į kitą pusę – jokio įdomumo aplinkoje nebuvo ir laiko konteksto neuronai labai nenoriai reagavo į gyvūno judėjimą. Jie tarsi užsnūsdavo iš nuobodulio – juk ir iš tikro, kam matuoti laiką tokio monotoniško užsiėmimo metu?! Galbūt todėl ir mes prastai atsimename rutininius įvykius, tačiau gerai įsimename tai, kas sukėlė stiprias emocijas.

Panašiai yra ir su metų laikais. Tyrimai rodo, kad visus metus žmonės keliasi maždaug tuo pačiu metu, nes to reikalauja darbas, vaikai ar šunys. Tai reiškia, kad šiaurės platumose žmonės žiemą keliasi pora valandų iki švintant. Skirtumas tarp dienos ilgumo ir veiklos trukmės gali paaiškinti sezoninį emocinį sindromą (SAD). JAV spalio-kovo laikotarpiu jis paveikia apie 5% suaugusiųjų, kurie skundžiasi svorio augimu, apatija ir nuovargiu. SAD dažnumas šiaurėje 10 kartų didesnis nei pietuose. A. J. Lewy mano, kad SAD pacientai įveiktų depresiją žiemą keldamiesi su aušra. Tada atitiktų metų laikas ir dienos tvarkaraštis.

Laimei, žmogus mažiau jautrus metų laikams nei kiti gyvūnai. Gali būti, kad šių sezoniniai ciklai (žiemos miegas, migracija, poravimasis) yra valdomi tų pačių cirkadinių ciklų. Tamsa, kurią registruoja SCN ir kankorėžinė liauka, ilgomis žiemos naktimis ilgiau siunčia melatonino signalus.

Kodėl gyvūnų sezoniniai ciklai tokie ryškūs. Kaip žmogus prarado jautrumą jiems? Menaker'is atsako: "mes vystėmės tropikuose!". Dauguma tropikų gyvūnų nerodo ryškių sezoninių elgesio pokyčių – nes metų laikai skiriasi nežymiai. Jie poruojasi neatsižvelgdami į metų laikus, nes nėra "geriausio" laiko palikuonims atsirasti. Žmonės irgi visada gyvena šilumoje. Kai mūsų protėviai pradėjo pritaikyti savo gyvenamą aplinką, metų laikai ėmė vaidinti mažesnį vaidmenį.

Tačiau vienas žmonių elgsenos aspektas liko ciklinis: moterys subrandina kiaušinėlius tik kartą per mėnesį. Laikrodis, reguliuojantis ovuliacijas ir menstruacijas, yra gerai aprašytas cheminis ciklas, kurį galima valdyti hormoniniais vaistais, pratimais ir net kitų moterų su menstruacija buvimu greta. Tačiau būdingo menstruacijų ciklo trukmės priežastis nežinoma. Tai, kad jis sutampa su Mėnulio ciklu, yra sutapimas. Nerasta įtikinamo ryšio tarp Mėnulio spinduliavimo ar jo gravitacinės jėgos ir moterų reprodukcinių hormonų. Tad menstruacijų mėnesinio ciklo paslaptis tebėra neatskleista.

Žmonės linkę sieti senėjimą su senatvinėmis ligomis (vėžiu, širdies ligomis, osteoporoze, artritu ar Alzheimerio liga) manydami, kad tų ligų išnykimas galėtų gerokai prailginti gyvenimo trukmę. Biologai sako, kad yra ne taip. Kas gi nulemia gyvenimo trukmę?

Mokslininkai atsakymo ieško ląstelių lygyje (skaitykite Amžinojo gyvenimo siekis). Labiausiai tikėtinu kandidatu yra vadinamasis mitozinis laikrodis. Šis laikrodis prižiūri ląstelių dalijimosi, arba mitozės, procesą. Tai tarsi smėlio laikrodis, kuriame viena smiltelė atitinka vieną ląstelės pasidalijimą. Kadangi laikrodyje yra baigtinis smiltelių skaičius, tai ir ląstelių dalijimųsi skaičius yra baigtinis. Mėginiuose jos dalijasi 60-100 kartų, tada liaujasi. "Jos tiesiog staiga liaujasi augti. Jos kvėpuoja, metabolizuoja, juda, tačiau daugiau nesidalina", aiškina J. Sedivy. Mėginiuose ląstelės tokią Telomere

būseną pasiekia per kelis mėnesius. Laimei, žmogaus kūne jos dalijasi gerokai rečiau. Tačiau kažkur per 70 m. jos vis tiek išnaudoja savo limitą. Amžiaus pabaigoje J. Sedivy paskelbė, kad jam pavyko padidinti dalijimosi ciklų skaičių (gaunant papildomai 20-30 dalijimųsi) mutavus vienintelį geną, kuris koduoja p21 proteiną, kuris susijęs su pokyčiais struktūrose vadinamose telomeromis (taip pat skaitykite >>>>>), kurios yra chromosomų galuose. Telomeros sudarytos iš tos pačių dalykų, kaip ir genai: DNR. Jie susideda iš tūkstančių pasikartojimų DNR sekų, nekoduojančių jokio žinomo proteino. Kiekvienąkart, kai ląstelė dalijasi, dalis telomerų prarandama. Jaunų žmonių embrionų telomerų ilgis yra 18-20 tūkst. blokų. Senatvėje jų ilgis tebūna tik 6-8 tūkst. blokų.

Biologai laiko, kad ląstelės pasensta, kai telomerų ilgis sutrumpėja iki tam tikros ribos. Titia de Lange pasiūlė kitokį šio sąryšio aiškinimą. Sveikose ląstelėse chromosomų galai užsilenkia tarsi ranka įkišta į kišenę. Ta „ranka“ yra apie 100-200 blokų telomeros, kuri susivijusi viena, ne poroje kaip likusi dalis. Daugiau kaip tuzino specialių proteinų pagalba vienos gijos galas yra įkišamas atgal į dvigubą viją dėl saugumo. Kai telomerų labai sumažėja, jei negali taip užsilenkti. Neįkištas galas yra pažeidžiamas, nes gali susiklijuoti su kitais neįkištais galais. Susiklijavimas sukelia sumaištį ląstelėje. Jos miršta arba tampa vėžinėmis. p21 ir telomerų uždavinys gali būti nutraukti ląstelių dalijimąsi. Ir tada senatvė visai nepriklauso nuo nervų sistemos, nes dauguma nervų ląstelių nesidalina.

Reikia neužmiršti, kad DNR ląstelių dalijimosi metu neretai būna pažeidžiamos, tad labai tikėtina, kad daugiau kartų pasidalijusios (senos) ląstelės gali sukaupti genetinių klaidų. „Ląstelių dalijimasis yra rizikingas“, pastebi J. Campisi. Tad nenuostabu, kad kūnas riboja mitozę. Ir, ištekėjus smėliui iš smėlio laikrodžio, nėra galimybės jį apversti.

^*) Vorenas Mekas (Warren Meck) – Duke un-to psichologijos ir neuromokslų profesorius. Jo pagr. darbų sritis yra laiko intervalų pajautos mechanizmai ir subjektyvi laiko pajauta. Yra žurnalo „Timing & Time Perception“ redaktorius. Jis aiškina, kad laikas yra sukuriamas tam skirtame vidinio laikrodžio modulyje.