Конкурс «Био/Мол/Текст»-2020/2021

Эта работа опубликована в номинации «Свободная тема» конкурса «Био/Мол/Текст»-2020/2021.

---

Генеральный партнер конкурса — ежегодная биотехнологическая конференция BiotechClub, организованная международной инновационной биотехнологической компанией BIOCAD.

---

Спонсор конкурса — компания SkyGen: передовой дистрибьютор продукции для life science на российском рынке.

---

Спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.

---

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

Мы часто слышим, что во всем виноваты соцсети: «Подростки не расстаются с телефонами, сидят в них и днем, и ночью! А потом не могут проснуться в школу, засыпают на уроках, из-за этого плохо учатся. Потом на выходных спят до полудня, а ведь уроки сами себя не выучат. Ладно, хотят поздно ложиться — пусть тогда книжки читают, ведь именно от этого голубого света экранов они так долго не хотят спать!»

Узнали аргументы? А ведь часть из них — мифы, а значение других преувеличено. В действительности то, почему мы спим и как мы это делаем в разные периоды жизни — сложная и противоречивая история. Попробуем разобраться, почему сон подростков и молодых взрослых так отличается от сна людей средних лет и детей, почему мы все время не высыпаемся (даже если спим, казалось бы, достаточное количество времени), какую роль в этом играет первая пара/первый урок в 8:30 утра, а какую — зависание в соцсетях на ночь глядя, и поговорим о том, можно ли что-то со всем этим сделать.

A perfect storm

Картой для нас будет модель «идеального шторма» (a perfect storm, английский фразеологизм, обозначающий событие, при котором редкое стечение обстоятельств резко усугубляет события) (рис. 1) [1], [2]. Это модель, согласно которой в подростковом возрасте на сон влияют физиологические и социальные факторы: с одной стороны, смещая его во времени, с другой — сокращая его длительность. Впоследствии это нарушает самочувствие, настроение, академические результаты и может вызывать проблемы со здоровьем.

Физиологические факторы

С началом полового созревания происходит биологически детерминированный сдвиг в цикле сна и бодрствования с тенденцией к более позднему засыпанию. Этот сдвиг опосредован как минимум двумя причинами.

Во-первых, это мелатонин. Он обуславливает наше время отхода ко сну, и его синтез подчиняется циркадианному ритму . По мере взросления ребенка пик его секреции смещается на более позднее время, примерно с 22:00 к 1:00. Кроме того, значительно снижается объем его синтеза, причем у девушек эти изменения происходят раньше, чем у молодых людей, как и начало пубертатного периода [2], [3].

Что такое циркадианные (они же — циркадные) ритмы можно узнать из статьи «Биомолекулы» про Нобелевскую премию по физиологии и медицине за 2017 год [4].

Кроме того, именно мелатонин синхронизирует наши внутренние биологические часы со временем суток: его секреция изменяется в зависимости от активности супрахиазмального ядра , которое, получая сигналы от сетчатки, реагирует на изменение освещенности вокруг. Чувствительность к вечернему уровню освещенности повышается в раннем подростковом возрасте [5]. Это приводит к подавлению секреции мелатонина и, как следствие, к задержке засыпания [6].

Больше о работе супрахиазмального ядра можно узнать из статьи «Биомолекулы»: «Проснись!» — «Усни...» — «Проснись!» — «Усни...» — «Проснись!» [7].

Вторая причина — задержка фазы цикла сон—бодрствование в подростковом возрасте. И это не болезнь современного общества и жителей городов. Этот феномен отмечается независимо от существенных культурных различий в привычках подростков в разных странах по всему миру [8]. Для того, чтобы разобраться с ним, нам сначала нужно познакомиться с двухкомпонентной моделью регуляции сна (рис. 2). Она основана на взаимодействии двух компонентов — циркадианного и гомеостатического процессов регуляции сна [9], [10]. Циркадианный процесс (С-процесс) ритмичен, его цикл равен примерно 24 часам и регулируется уровнем освещенности в разное время суток, активностью супрахиазмального ядра и мелатонином. Гомеостатический процесс (S-процесс) связан с накоплением усталости, сонливости за время бодрствования, он нарастает в течение дня и снижается в течение ночи. Его маркером считается дельта-индекс (он же — уровень SWA, slow-wave activity на электроэнцефалограмме, ЭЭГ). У здоровых людей он максимально выражен во время медленноволнового сна (NREM-сна), усиливается в зависимости от продолжительности предшествующего бодрствования и крайне высок при депривации сна.

Это «давление сна» (гомеостатический S-процесс) в подростковом возрасте накапливается медленнее, что связано, в том числе, и со снижением пика уровня мелатонина и приводит к более длительному времени засыпания, вынуждая бодрствовать по ночам (рис. 3). При этом снижается такое «давление» у подростков почти так же медленно, как и у детей. Таким образом, учитывая необходимость раннего пробуждения на следующий день, необходимые для подростков 8–10 часов сна оказываются почти невыполнимым условием в привычных для них реалиях [11]. Стоит отметить, что перечисленные процессы нарастают по мере взросления и полового созревания, поэтому наибольшие сложности с коротким и некачественным сном испытывают старшеклассники и студенты младших курсов [12], [13].

Как именно запрограммированы на генетическом уровне эти особенности, пока неизвестно, но есть исследования на мушках-дрозофилах . Например, обнаружен ген pdm3, необходимый для формирования механизмов регуляции сна у дрозофилы. Этот ген кодирует белок PDM3 — домен фактора транскрипции, координирующего программу раннего развития мозга и управляющего связью стимулирующих бодрствование дофаминергических нейронов с областью, способствующей сну. При нокауте гена pdm3 преждевременно увеличивается дофаминэргическое ингибирование центра сна, нарушается его формирование и молодые мушки продолжают бодрствовать, когда должны засыпать, тем самым не получая необходимое количество сна. У человека существует ряд гомологичных генов, один из них — POU6F2. У млекопитающих его продукты — белки POU — связаны с нарушениями развития нервной системы, например, с расстройствами аутистического спектра, которые часто сопровождаются сопутствующими нарушениями сна, что указывает на потенциальную роль этих регуляторов сна в раннем возрасте [14]. Таким образом, у нас есть небольшое доказательство в пользу того, что сдвиг цикла сон—бодрствование генетически предопределен и происходит вместе со взрослением и развитием мозга.

Про еще один «ген сна», обнаруженном у дрозофил, можно узнать из новости 2008 года(!) на «Биомолекуле» [15].

На всю эту биологическую машинерию мы повлиять не можем, но вторая группа — социальные факторы, с которыми связано большинство заблуждений и мифов — вполне поддается модификации.

Социальные факторы

Как мы уже разобрались, с физиологической точки зрения соцсети и связанный с ними холодный свет экранов — не единственные виновники позднего отхода ко сну. Разумеется, активная социальная жизнь приковывает наше внимание к бесчисленным чатам, но до конца неясно: это причина позднего отхода ко сну или способ заполнить время, в которое ты, с одной стороны, уже недостаточно работоспособен, чтобы учиться, а с другой — еще не настолько хочешь спать, чтобы отложить все дела? Кроме того, в научном сообществе нет консенсуса по поводу того, какой из элементов гигиены сна оказывает наибольшее влияние, а потому прямых рекомендаций от международных сомнологических и педиатрических организаций насчет использования гаджетов перед сном пока нет [16], [17].

В числе других социальных факторов, влияющих на сон подростков — академическая нагрузка и давление в учебном коллективе. Для одних это может быть страх провалиться на предстоящем экзамене, заставляющий учить ночь напролет, для других — сложные отношения с преподавателями или одноклассниками, которые тревожат и не дают уснуть. В обоих случаях формируется замкнутый круг: проблемы в школе могут приводить к тревожности, бессоннице и недостатку сна, который, в свою очередь, снижает когнитивные функции на следующий день, добавляет раздражительности и импульсивности, в связи с чем появляются новые проблемы, мешающие уснуть.

Еще один фактор (его можно назвать социобиологическим) — это употребление кофеина вообще и кофе в частности. В глазах многих подростков — это один из способов казаться старше, принимая этакий «взрослящий напиток». Но для подростков суточная норма кофеина гораздо ниже, чем для взрослых; ее легко превысить, ориентируясь на родителей, и в результате — тахикардия, тремор рук и усиление тревожности, никак не способствующие здоровому сну [18].

Выше мы в основном говорили о позднем отходе ко сну. Но ведь его длительность ограничена временем, в которое нам нужно проснуться, и мало кто из нас делает это без будильника (а чаще и не без нескольких с интервалом в «еще пять минуточек»). Первое и главное требование общества к подросткам — учеба в школе, колледже или университете — неразрывно связано ранним временем пробуждения (в 6–7 утра) к первому занятию. Это несоответствие между физиологической потребностью в определенном режиме сна и бодрствования, а также с социальными требованиями является причиной хронической депривации сна, «идеального шторма», который треплет подростков каждый день и каждую ночь. Вечером от сна отрывают минуты задержка фазы цикла сон—бодрствование, медленное нарастание давления сна, социальные и академические проблемы, а утром — раннее начало уроков, что делает здоровый сон (одну из базовых потребностей человека!) недостижимым.

На графике видно строгое ограничение времени сна социальными факторами (рис. 4) [19]. Со стартом подросткового возраста время сна в субботу и воскресенье начинает значительно отличаться от такового в будни: более поздние подъемы и засыпания, более долгий сон на выходных — не признак лени, а попытка войти в биологически необходимый режим после недостатка сна на протяжении рабочей недели. И попытка эта малоуспешна: двух ночей полноценного сна просто не хватает для восстановления. В исследовании, проведенном исследователями Центра когнитивных нейронаук в Сингапуре, участвовали подростки, которые в первую, контрольную неделю спали по 9 часов, во вторую, тестовую — 5 дней по 5 часов, а потом — 2 дня по 9 часов, воспроизводя будни и выходные [20]. За 5 «будних» дней дельта-индекс возрастал и не возвращался к своему исходному уровню. В итоге при таком режиме нехватка сна становится хронической со всеми вытекающими последствиями, о которых мы поговорим дальше.

Последствия

Очевидно, хроническая депривация сна — серьезная проблема как для отдельных людей, так и для общества в целом. Если не решать ее, к каким последствиям это приведет?

С краткосрочными, думаю, многие знакомы: сонливость, проблемы с работоспособностью, плохое настроение, порой тревожность, агрессивность и импульсивность [21], [22]. Взаимосвязь между настроением и сном сложная и двунаправленная, потому что плохое настроение и тревожность могут усугублять бессонницу, и наоборот [23]. Кроме того, депрессивные симптомы иногда возможно устранить, увеличив продолжительность сна [24]. Также при недостатке сна снижается критика к собственному состоянию и способность контролировать эмоции, что приводит к рискованному поведению [25–28].

В более далекой перспективе недостаток сна может приводить к гормональному дисбалансу, который наравне с перееданием может приводить, например, к ожирению — из-за повышения синтеза грелина, увеличивающего аппетит (еще одну серию с еще одной пачкой чипсов?), к сахарному диабету 2 типа, сердечно-сосудистым заболеваниям [29–31]. Распространенными являются проблемы с учебой и с памятью — и они могут быть связаны с объемом серого вещества гиппокампа (структуры головного мозга, традиционно ассоциируемой с процессами памяти). В исследовании у здоровых детей и подростков объем гиппокампа положительно коррелировал с продолжительностью сна [32]. В пожилом возрасте повышается риск деменции, потому что именно во сне мозг наиболее активно избавляется от продуктов метаболизма, в том числе, от бета-амилоида и тау-белка, связанных с нейродегенеративными заболеваниями .

Больше о связи сна и ухудшения интеллекта можно почитать в статье «Биомолекулы» «Сон и старение II: Чем отличается сон пожилых и больных от сна молодых и здоровых?» [33], а о глимфатической системе, играющей в этом важную роль — в статье Naked Science.

Вряд ли найдется человек, желающий испытать даже часть палитры этих последствий на себе, хотя этот список еще далеко не полон. Тем не менее, именно к такой картине мы приближаем себя каждый вечер, засиживаясь допоздна, а потом вставая в 6 утра на учебу или работу.

Help yourself

Если найти работу, на которую можно приходить в комфортное время, еще можно, то первый урок в школе, к сожалению, перенести уже сложнее. Поэтому забота о собственном здоровье (ментальном и физическом) ложится на плечи самих подростков. Первое, о чем стоит помнить — гигиена сна, о которой, к счастью, много говорят в последнее время. Вот некоторые принципы:

• регулярный режим дня (одинаковое время отхода ко сну и пробуждения);
• избегание яркого холодного света за полчаса до сна. Сейчас на многих телефонах можно настроить вечерний режим — более теплый и приглушенный свет экрана будет включаться автоматически в одно и то же время;
• просыпайтесь с первым сигналом будильника и сразу включайте яркий свет. Сон по пять минут не добавляет бодрости.

Такими небольшими изменениями можно облегчить свою жизнь и сделать утренние пробуждения чуть менее невыносимыми. Но есть надежда, что однажды меры будут приняты и на глобальном уровне. Например, в США существует общественное движение Start School Later в поддержку более позднего начала уроков для старшеклассников [34]. Если для нашей страны 8:30 — стандартное время начала занятий, то в Америке уроки могут начинаться даже с 7:55! Недавно в Калифорнии был принят закон, согласно которому постепенно, к июлю 2022 года, уроки во всех школах будут начинаться не раньше 8:30.

Заключение

Мы уже довольно давно понимаем значимость полноценного сна для развивающегося мозга, но продолжаем игнорировать потребность подростков в нем. Хочется надеяться, что в глобальном тренде на здоровый образ жизни найдется время и внимание здоровому сну, а придуманный столетие назад без опоры на научные факты распорядок дня уйдет в прошлое, и школьники и студенты будут просыпаться бодрыми по утрам не только со словами: «Мам, мне ко второй»!

Литература

1. Mary A. Carskadon. (2011). Sleep in Adolescents: The Perfect Storm. Pediatric Clinics of North America. 58, 637-647;
2. Stephanie J. Crowley, Amy R. Wolfson, Leila Tarokh, Mary A. Carskadon. (2018). An update on adolescent sleep: New evidence informing the perfect storm model. Journal of Adolescence. 67, 55-65;
3. Robert Boyar, Jordan Finkelstein, Howard Roffwarg, Sheldon Kapen, Elliot Weitzman, Leon Hellman. (1972). Synchronization of Augmented Luteinizing Hormone Secretion with Sleep during Puberty. N Engl J Med. 287, 582-586;
4. Тик-так по-шведски. Нобелевская премия за циркадные ритмы;
5. Stephanie J. Crowley, Sean W. Cain, Angus C. Burns, Christine Acebo, Mary A. Carskadon. (2015). Increased Sensitivity of the Circadian System to Light in Early/Mid-Puberty. The Journal of Clinical Endocrinology & Metabolism. 100, 4067-4073;
6. Stephanie J. Crowley, Charmane I. Eastman. (2017). Human Adolescent Phase Response Curves to Bright White Light. J Biol Rhythms. 32, 334-344;
7. «Проснись!» — «Усни...» — «Проснись!» — «Усни...» — «Проснись!»;
8. Lisa Matricciani, Timothy Olds, John Petkov. (2012). In search of lost sleep: Secular trends in the sleep time of school-aged children and adolescents. Sleep Medicine Reviews. 16, 203-211;
9. Элементы: «Как возникла наука о сне (окончание)»;
10. Borbely, A.A. (1982). A two process model of sleep regulation. Hum. Neurobiol. 1, 195–204;
11. Max Hirshkowitz, Kaitlyn Whiton, Steven M. Albert, Cathy Alessi, Oliviero Bruni, et. al.. (2015). National Sleep Foundation’s sleep time duration recommendations: methodology and results summary. Sleep Health. 1, 40-43;
12. R. Salti, F. Galluzzi, G. Bindi, F. Perfetto, R. Tarquini, et. al.. (2000). Nocturnal Melatonin Patterns in Children. The Journal of Clinical Endocrinology & Metabolism. 85, 2137-2144;
13. Megan Hastings Hagenauer, Theresa M. Lee. (2013). Adolescent sleep patterns in humans and laboratory animals. Hormones and Behavior. 64, 270-279;
14. Leela Chakravarti Dilley, Milan Szuperak, Naihua N Gong, Charlette E Williams, Ricardo Linares Saldana, et. al.. (2020). Identification of a molecular basis for the juvenile sleep state. eLife. 9;
15. Бессонные ночи дрозофилы;
16. Christina A. Martin, Harriet Hiscock, Nicole Rinehart, Helen S. Heussler, Christian Hyde, et. al.. (2020). Associations Between Sleep Hygiene and Sleep Problems in Adolescents With ADHD: A Cross-Sectional Study. J Atten Disord. 24, 545-554;
17. Jodi A. Mindell, Lisa J. Meltzer, Mary A. Carskadon, Ronald D. Chervin. (2009). Developmental aspects of sleep hygiene: Findings from the 2004 National Sleep Foundation Sleep in America Poll. Sleep Medicine. 10, 771-779;
18. Committee on Nutrition and the Council on Sports Medicine and Fitness. (2011). Sports Drinks and Energy Drinks for Children and Adolescents: Are They Appropriate?. PEDIATRICS. 127, 1182-1189;
19. B Thorleifsdottir, J.K Björnsson, B Benediktsdottir, Th Gislason, H Kristbjarnarson. (2002). Sleep and sleep habits from childhood to young adulthood over a 10-year period. Journal of Psychosomatic Research. 53, 529-537;
20. Ju Lynn Ong, June C. Lo, Joshua J. Gooley, Michael W.L. Chee. (2017). EEG Changes Accompanying Successive Cycles of Sleep Restriction With and Without Naps in Adolescents. Sleep;
21. Andrew J. Fuligni, Sunhye Bai, Jennifer L. Krull, Nancy A. Gonzales. (2019). Individual Differences in Optimum Sleep for Daily Mood During Adolescence. Journal of Clinical Child & Adolescent Psychology. 48, 469-479;
22. J. A. Owens, T. Dearth-Wesley, D. Lewin, G. Gioia, R. C. Whitaker. (2016). Self-Regulation and Sleep Duration, Sleepiness, and Chronotype in Adolescents. PEDIATRICS. 138, e20161406-e20161406;
23. Nicholas Lofthouse, Richard Gilchrist, Mark Splaingard. (2009). Mood-related Sleep Problems in Children and Adolescents. Child and Adolescent Psychiatric Clinics of North America. 18, 893-916;
24. J.F. Dewald-Kaufmann, F.J. Oort, A.M. Meijer. (2014). The effects of sleep extension and sleep hygiene advice on sleep and depressive symptoms in adolescents: a randomized controlled trial. J Child Psychol Psychiatr. 55, 273-283;
25. Katherine T. Baum, Anjali Desai, Julie Field, Lauren E. Miller, Joseph Rausch, Dean W. Beebe. (2014). Sleep restriction worsens mood and emotion regulation in adolescents. J Child Psychol Psychiatr. 55, 180-190;
26. Monika B. Raniti, Nicholas B. Allen, Orli Schwartz, Joanna M. Waloszek, Michelle L. Byrne, et. al.. (2017). Sleep Duration and Sleep Quality: Associations With Depressive Symptoms Across Adolescence. Behavioral Sleep Medicine. 15, 198-215;
27. Michelle A. Short, Nathan Weber. (2018). Sleep duration and risk-taking in adolescents: A systematic review and meta-analysis. Sleep Medicine Reviews. 41, 185-196;
28. Erin M. O'Brien, Jodi A. Mindell. (2005). Sleep and Risk-Taking Behavior in Adolescents. Behavioral Sleep Medicine. 3, 113-133;
29. Francesco P. Cappuccio, Frances M. Taggart, Ngianga-Bakwin Kandala, Andrew Currie, Ed Peile, et. al.. (2008). Meta-Analysis of Short Sleep Duration and Obesity in Children and Adults. Sleep. 31, 619-626;
30. Michael A. Grandner, Azizi Seixas, Safal Shetty, Sundeep Shenoy. (2016). Sleep Duration and Diabetes Risk: Population Trends and Potential Mechanisms. Curr Diab Rep. 16;
31. Janet M. Mullington, Monika Haack, Maria Toth, Jorge M. Serrador, Hans K. Meier-Ewert. (2009). Cardiovascular, Inflammatory, and Metabolic Consequences of Sleep Deprivation. Progress in Cardiovascular Diseases. 51, 294-302;
32. Yasuyuki Taki, Hiroshi Hashizume, Benjamin Thyreau, Yuko Sassa, Hikaru Takeuchi, et. al.. (2012). Sleep duration during weekdays affects hippocampal gray matter volume in healthy children. NeuroImage. 60, 471-475;
33. Сон и старение II: Чем отличается сон пожилых и больных от сна молодых и здоровых?;
34. ADOLESCENT SLEEP WORKING GROUP, COMMITTEE ON ADOLESCENCE, COUNCIL ON SCHOOL HEALTH. (2014). School Start Times for Adolescents. PEDIATRICS. 134, 642-649.