Cirkadiánne rytmy

Cirkadiánny rytmus je akýkoľvek biologický proces, ktorý vykazuje endogénne, riadené oscilácie trvajúce približne 24 hodín. Tieto rytmy sú riadené cirkadiánnymi hodinami a boli široko pozorované u rastlín, živočíchov, húb a siníc. Termín cirkadiánny pochádza z latinského circa, čo znamená „okolo“ (alebo „približne“), a diem alebo dies, čo znamená „deň“. Formálne štúdium biologických časových rytmov, ako sú denné, prílivové, týždenné, sezónne a ročné rytmy, sa nazýva chronobiológia. Hoci sú cirkadiánne rytmy endogénne („zabudované“, samoudržiavajúce sa), sú prispôsobené (entrained) miestnemu prostrediu vonkajšími podnetmi nazývanými zeitgebery, z ktorých najdôležitejším je obyčajne denné svetlo.

Najstaršia známa správa o cirkadiánnom procese pochádza zo 4. storočia pred n. l., keď Androsthenes z Thasosu, kapitán lode slúžiaci pod Alexandrom Veľkým, opísal denné pohyby listov tamarindového stromu.

Prvé zaznamenané pozorovanie endogénnych cirkadiánnych oscilácií uskutočnil francúzsky vedec Jean-Jacques d’Ortous de Mairan v roku 1729. V prvom experimente, v ktorom sa pokúsil odlíšiť endogénne hodiny od reakcií na denné podnety, zaznamenal, že 24-hodinové vzorce pohybu listov rastliny Mimosa pudica pretrvávali aj vtedy, keď boli rastliny držané v stálej tme.

V roku 1896 Patrick a Gilbert pozorovali, že počas dlhšieho obdobia spánkovej deprivácie sa ospalosť zvyšuje a znižuje s odstupom približne 24 hodín. V roku 1918 J. S. Szymanski dokázal, že zvieratá sú schopné udržiavať 24-hodinové vzorce aktivity pri absencii vonkajších podnetov, ako sú svetlo a zmeny teploty. Ron Konopka a Seymour Benzer začiatkom 70. rokov 20. storočia izolovali prvého hodinového mutanta u drozofily a zmapovali gén „perióda“, prvú objavenú genetickú zložku cirkadiánnych hodín. Joseph Takahashi objavil prvý „hodinový gén“ u cicavcov (CLOCK) na myšiach v roku 1994.

Pojem „cirkadiánny“ zaviedol Franz Halberg koncom 50. rokov 20. storočia.

Aby sa biologický rytmus mohol nazývať cirkadiánnym, musí spĺňať tieto štyri všeobecné kritériá:

Cirkadiánne rytmy umožňujú organizmom predvídať a pripravovať sa na presné a pravidelné zmeny prostredia; majú veľkú hodnotu vo vzťahu k vonkajšiemu svetu. Zdá sa, že rytmickosť je rovnako dôležitá pri regulácii a koordinácii vnútorných metabolických procesov, ako aj pri koordinácii s prostredím. Naznačuje to zachovanie (dedičnosť) cirkadiánnych rytmov u ovocných mušiek po niekoľkých stovkách generácií v stálych laboratórnych podmienkach, ako aj u tvorov v stálej tme v prírode a experimentálne odstránenie behaviorálnych, ale nie fyziologických cirkadiánnych rytmov u prepelíc.

Najjednoduchšie známe cirkadiánne hodiny sú hodiny prokaryotických siníc. Nedávny výskum ukázal, že cirkadiánne hodiny Synechococcus elongatus možno rekonštituovať in vitro len pomocou troch proteínov ich centrálneho oscilátora. Ukázalo sa, že tieto hodiny udržiavajú 22-hodinový rytmus počas niekoľkých dní po pridaní ATP. Predchádzajúce vysvetlenia prokaryotického cirkadiánneho časomerača boli závislé od mechanizmu spätnej väzby transkripcie/translácie DNA.

Defekt v ľudskom homológu drozofilného „periodického génu“ bol identifikovaný ako príčina poruchy spánku FASPS (Familial advanced sleep phase syndrome), čo zdôrazňuje zachovanú povahu molekulárnych cirkadiánnych hodín v priebehu evolúcie. V súčasnosti je známych oveľa viac genetických zložiek biologických hodín. Ich interakcie vedú k vzájomne prepojenej spätnej väzbe génových produktov, ktorej výsledkom sú periodické výkyvy, ktoré bunky tela interpretujú ako určitý čas dňa.

V súčasnosti je známe, že molekulárne cirkadiánne hodiny môžu fungovať v rámci jednej bunky, t. j. sú bunkovo autonómne. Zároveň môžu rôzne bunky medzi sebou komunikovať, čo vedie k synchronizovanému výstupu elektrickej signalizácie. Tie môžu komunikovať s endokrinnými žľazami mozgu a vyústiť do periodického uvoľňovania hormónov. Receptory pre tieto hormóny sa môžu nachádzať ďaleko po celom tele a synchronizovať periférne hodiny rôznych orgánov. Informácie o dennom čase prenášané očami sa tak dostávajú do hodín v mozgu a prostredníctvom nich sa môžu synchronizovať hodiny v ostatných častiach tela. Takto sú biologické hodiny koordinovane riadené napríklad časom spánku/bdelosti, telesnej teploty, smädu a chuti do jedla.

Cirkadiánne rytmy sú dôležité pri určovaní spánku a kŕmenia všetkých zvierat vrátane ľudí. S týmto 24-hodinovým cyklom súvisia jasné vzorce aktivity mozgových vĺn, produkcie hormónov, regenerácie buniek a ďalších biologických činností.

Cirkadiánny rytmus je prítomný v spánku a kŕmení zvierat vrátane ľudí. Existujú aj jasné vzory telesnej teploty, aktivity mozgových vĺn, produkcie hormónov, regenerácie buniek a ďalších biologických aktivít. Okrem toho fotoperiodizmus, fyziologická reakcia organizmov na dĺžku dňa alebo noci, je životne dôležitý pre rastliny aj zvieratá a cirkadiánny systém zohráva úlohu pri meraní a interpretácii dĺžky dňa.

Vplyv cyklu svetlo-tma

Rytmus súvisí s cyklom svetla a tmy. Zvieratá vrátane ľudí, ktoré sú dlhší čas držané v úplnej tme, nakoniec fungujú s voľným rytmom. Ich spánkový cyklus sa každý „deň“ posúva dozadu alebo dopredu v závislosti od toho, či je ich „deň“, ich endogénne obdobie, kratšie alebo dlhšie ako 24 hodín. Environmentálne signály, ktoré každý deň obnovujú rytmus, sa nazývajú zeitgebery (z nemčiny „časodarcovia“). Je zaujímavé, že úplne slepé podzemné cicavce (napr. slepý krtko Spalax sp.) sú schopné udržiavať svoje endogénne hodiny aj pri zjavnej absencii vonkajších podnetov. Hoci im chýbajú oči vytvárajúce obraz, ich fotoreceptory (ktoré detekujú svetlo) sú stále funkčné; periodicky sa tiež vynárajú na povrch.

Doporučujeme:  Dizajnové myslenie

Voľne bežiace organizmy, ktoré majú normálne jednu alebo dve konsolidované spánkové epizódy, ich budú mať aj v prostredí chránenom pred vonkajšími podnetmi, ale tento rytmus, samozrejme, nie je prispôsobený 24-hodinovému cyklu svetla a tmy v prírode. Rytmus spánku a bdenia sa za týchto okolností môže dostať mimo fázy s inými cirkadiánnymi alebo ultradiánnymi rytmami, ako sú metabolické, hormonálne, elektrické alebo neurotransmiterové rytmy CNS.

Nedávny výskum ovplyvnil dizajn prostredia vesmírnych lodí, pretože sa zistilo, že systémy, ktoré napodobňujú cyklus svetla a tmy, sú pre astronautov veľmi prospešné.[potrebná citácia]

Nórski vedci z univerzity v Tromsø dokázali, že niektoré arktické zvieratá (vtákopysk, sob) vykazujú cirkadiánny rytmus len v tých častiach roka, v ktorých je denný východ a západ slnka. V jednej štúdii o soboch vykazovali zvieratá na 70 stupňoch severnej zemepisnej šírky cirkadiánne rytmy na jeseň, v zime a na jar, ale nie v lete. Soby na 78 stupňoch severnej zemepisnej šírky vykazovali takéto rytmy len na jeseň a na jar. Výskumníci predpokladajú, že aj iné arktické zvieratá nemusia vykazovať cirkadiánne rytmy pri stálom svetle v lete a stálej tme v zime.

Iná štúdia na severnej Aljaške však zistila, že dážďovníky a dikobrazy si striktne udržiavajú cirkadiánny rytmus počas 82 slnečných dní a nocí. Vedci predpokladajú, že tieto dva malé cicavce vidia, že zdanlivá vzdialenosť medzi slnkom a obzorom je raz za deň najkratšia, a teda je to dostatočný signál na prispôsobenie sa.

Pri jesennej migrácii motýľov monarchov východných (Danaus plexippus) do zimovísk v strednom Mexiku sa používa časovo kompenzovaný slnečný kompas, ktorý závisí od cirkadiánnych hodín v ich tykadlách.

Ľudské aspekty tejto oblasti sa posudzujú v rámci biologických rytmov človeka.

Prvé výskumy cirkadiánnych rytmov naznačovali, že väčšina ľudí uprednostňuje deň s dĺžkou bližšie k 25 hodinám, keď sú izolovaní od vonkajších podnetov, ako je denné svetlo a meranie času. Tento výskum však bol chybný, pretože účastníkov nechránil pred umelým svetlom. Hoci boli účastníci chránení pred časovými podnetmi (ako sú hodiny) a denným svetlom, výskumníci si neboli vedomí fázových oneskorení spôsobených elektrickým osvetlením v interiéri. Účastníci mohli zapnúť svetlo, keď boli bdelí, a vypnúť ho, keď chceli spať. Elektrické svetlo večer oneskorilo ich cirkadiánnu fázu. Tieto výsledky sa stali všeobecne známymi.

Novšie výskumy ukázali, že: dospelí majú zabudovaný deň, ktorý trvá v priemere približne 24 hodín; osvetlenie interiéru ovplyvňuje cirkadiánne rytmy; a väčšina ľudí dosahuje najkvalitnejší spánok počas spánku určeného chronotypom. Štúdia Czeislera a kol. na Harvarde zistila, že rozsah pre normálnych zdravých dospelých ľudí všetkých vekových kategórií je pomerne úzky: 24 hodín a 11 minút ± 16 minút. „Hodiny“ sa denne prestavujú na 24-hodinový cyklus rotácie Zeme.

Cirkadiánny rytmus a duševné zdravie.

Narušenie cirkadiánneho rytmu je charakteristickým znakom mnohých psychologických problémov, ako je depresia, posttraumatická stresová porucha, OCD atď. Význam prípadnej korelácie je nejasný.

Načasovanie liečby v súlade s telesnými hodinami môže významne zvýšiť účinnosť a znížiť toxicitu alebo nežiaduce účinky liekov. Napríklad vhodne načasovaná liečba inhibítormi angiotenzín konvertujúceho enzýmu (ACEi) môže znížiť nočný krvný tlak a tiež priaznivo ovplyvniť remodeláciu ľavej komory (reverznú).

Krátky spánok počas dňa nemá vplyv na cirkadiánny rytmus.

Viaceré štúdie dospeli k záveru, že krátky spánok počas dňa, tzv. power-nap, nemá merateľný vplyv na normálny cirkadiánny rytmus, ale môže znížiť stres a zvýšiť produktivitu.

S poruchami ľudského cirkadiánneho rytmu je spojených mnoho zdravotných problémov, ako napríklad sezónna afektívna porucha (SAD), syndróm oneskorenej spánkovej fázy (DSPS) a iné poruchy cirkadiánneho rytmu. Cirkadiánne rytmy zohrávajú úlohu aj v retikulárnom aktivačnom systéme, ktorý je kľúčový pre udržanie stavu vedomia. Okrem toho môže byť zvrat v cykle spánok-bdenie príznakom alebo komplikáciou urémie, azotémie alebo akútneho zlyhania obličiek.

Doporučujeme:  Transkortikálna motorická afázia

Štúdie tiež ukázali, že svetlo má priamy vplyv na ľudské zdravie, pretože ovplyvňuje cirkadiánne rytmy.

Cirkadiánny rytmus a piloti leteckých spoločností

Vzhľadom na charakter práce pilotov leteckých spoločností, ktorí často prechádzajú viacerými časovými pásmami a oblasťami slnečného svetla a tmy počas jedného dňa a trávia mnoho hodín v bdelom stave vo dne aj v noci, často nie sú schopní dodržiavať spánkový režim, ktorý zodpovedá prirodzenému ľudskému cirkadiánnemu rytmu; táto situácia môže ľahko viesť k únave. NTSB uvádza túto situáciu ako faktor, ktorý prispieva k mnohým nehodám, a uskutočnila viaceré výskumné štúdie s cieľom nájsť metódy boja proti únave pilotov.

Narušenie rytmu má zvyčajne negatívny účinok. Mnohí cestovatelia sa stretli so stavom známym ako jet lag a s ním spojenými príznakmi únavy, dezorientácie a nespavosti.

S nepravidelným alebo patologickým fungovaním cirkadiánnych rytmov súvisí množstvo ďalších porúch, napríklad bipolárna porucha a niektoré poruchy spánku. Nedávny výskum naznačuje, že poruchy cirkadiánneho rytmu zistené pri bipolárnej poruche sú pozitívne ovplyvnené účinkom lítia na hodinové gény.

Predpokladá sa, že dlhodobé narušenie rytmu má významné nepriaznivé zdravotné dôsledky na periférne orgány mimo mozgu, najmä pri vzniku alebo zhoršení kardiovaskulárnych ochorení. Potlačenie tvorby melatonínu spojené s narušením cirkadiánneho rytmu môže zvýšiť riziko vzniku rakoviny. LED osvetlenie potláča produkciu melatonínu päťkrát viac ako vysokotlakové sodíkové svetlo. Príznaky depresie z dlhodobého vystavenia nočnému svetlu sa dajú zrušiť návratom k normálnemu cyklu.

Cirkadiánne rytmy a hodinové gény exprimované v oblastiach mozgu mimo suprachiasmatického jadra môžu významne ovplyvňovať účinky vyvolané drogami, ako je kokaín. Okrem toho genetické manipulácie hodinových génov zásadne ovplyvňujú pôsobenie kokaínu.

Zdá sa, že SCN prijíma informácie o dĺžke dňa zo sietnice, interpretuje ich a odovzdáva ich epifýze (štruktúra podobná hrášku, ktorá sa nachádza v epithalame), ktorá potom vylučuje hormón melatonín. Vylučovanie melatonínu vrcholí v noci a počas dňa klesá. Zdá sa, že SCN nie je schopná rýchlo reagovať na zmeny svetelných a tmavých signálov.

Nedávno sa objavili dôkazy, že cirkadiánne rytmy sa nachádzajú v mnohých bunkách v tele – mimo „hlavných hodín“ SCN. Zdá sa napríklad, že pečeňové bunky reagujú skôr na kŕmenie ako na svetlo. Zdá sa, že bunky z mnohých častí tela majú „voľne bežiace“ rytmy.

Narušenie rytmu má zvyčajne krátkodobo negatívny účinok. Mnohí cestovatelia sa stretli so stavom známym ako jet lag a s ním spojenými príznakmi únavy, dezorientácie a nespavosti. S nepravidelným alebo patologickým fungovaním cirkadiánnych rytmov súvisí množstvo ďalších porúch spánku.

Nedávny výskum naznačuje, že cirkadiánne rytmy a hodinové gény exprimované v oblastiach mozgu mimo SCN môžu významne ovplyvňovať účinky vyvolané drogami zneužívania, ako je kokaín . Okrem toho genetické manipulácie hodinových génov hlboko ovplyvňujú účinky kokaínu .

Cirkadiánne rytmy zohrávajú úlohu aj v retikulárnom aktivačnom systéme v retikulárnej formácii.

Biologické hodiny u cicavcov

Schéma znázorňujúca vplyv svetla a tmy na cirkadiánne rytmy a súvisiacu fyziológiu a správanie prostredníctvom suprachiasmatického jadra u ľudí.

Primárne cirkadiánne „hodiny“ u cicavcov sa nachádzajú v suprachiasmatickom jadre (alebo jadrách) (SCN), dvojici odlišných skupín buniek umiestnených v hypotalame. Zničenie SCN vedie k úplnej absencii pravidelného rytmu spánku a bdenia. SCN dostáva informácie o osvetlení prostredníctvom očí. Očná sietnica obsahuje „klasické“ fotoreceptory („tyčinky“ a „čapíky“), ktoré sa používajú na bežné videnie. Sietnica však obsahuje aj špecializované gangliové bunky, ktoré sú priamo citlivé na svetlo a premietajú sa priamo do SCN, kde pomáhajú pri nastavovaní týchto hlavných cirkadiánnych hodín.

Tieto bunky obsahujú fotopigment melanopsín a ich signály vedú po dráhe nazývanej retinohypotalamický trakt do SCN. Ak sa bunky z SCN odstránia a kultivujú, udržiavajú si svoj vlastný rytmus bez vonkajších podnetov.

SCN prijíma informácie o dĺžke dňa a noci zo sietnice, interpretuje ich a odovzdáva ďalej do epifýzy, malej štruktúry v tvare šišky, ktorá sa nachádza v epithalame. V reakcii na to epifýza vylučuje hormón melatonín. Vylučovanie melatonínu vrcholí v noci a klesá počas dňa a jeho prítomnosť poskytuje informácie o dĺžke noci.

Viaceré štúdie naznačili, že melatonín v epifýze spätne ovplyvňuje rytmickosť SCN a moduluje cirkadiánne vzorce aktivity a iné procesy. Povaha a význam tejto spätnej väzby na úrovni systému však nie sú známe.

Cirkadiánne rytmy ľudí sa dajú nastaviť na o niečo kratšie a dlhšie časové úseky, ako je 24 hodín na Zemi. Výskumníci z Harvardu nedávno dokázali, že ľudské subjekty sa dajú naladiť aspoň na 23,5-hodinový a 24,65-hodinový cyklus (ten druhý je prirodzeným slnečným cyklom deň-noc na planéte Mars).

Doporučujeme:  Prírodné prostredie

Klasické fázové markery na meranie času cirkadiánneho rytmu cicavcov sú:

Melatonín v systéme chýba alebo je počas dňa nezistiteľne nízky. Jeho nástup pri slabom osvetlení, tzv. dim-light melatonin onset (DLMO), približne o 21:00 (21:00), sa dá zmerať v krvi alebo v slinách. Jeho hlavný metabolit sa môže merať aj v rannom moči. DLMO aj stredný bod (v čase) prítomnosti hormónu v krvi alebo slinách sa používajú ako cirkadiánne markery. Novšie výskumy však naznačujú, že spoľahlivejším markerom môže byť melatonínový posun. Benloucif a kol. v Chicagu v roku 2005 zistili, že markery fázy melatonínu sú stabilnejšie a lepšie korelujú s časom spánku ako minimum teploty jadra. Zistili, že posun spánku aj melatonínový posun boli silnejšie korelované s rôznymi fázovými markermi ako nástup spánku. Okrem toho bola klesajúca fáza hladiny melatonínu spoľahlivejšia a stabilnejšia ako ukončenie syntézy melatonínu.

Jednou z metód používaných na meranie melatonínového posunu je analýza sekvencie vzoriek moču počas dopoludnia na prítomnosť metabolitu melatonínu 6-sulfatoxymelatonínu (aMT6s). Laberge a kol. v Quebecu v roku 1997 použili túto metódu v štúdii, ktorá potvrdila často zistené oneskorenie cirkadiánnej fázy u zdravých adolescentov.

Tretím markerom ľudského pacemakera je načasovanie maximálnej hladiny kortizolu v plazme. Klerman a kol. v roku 2002 porovnávali údaje o kortizole a teplote s ôsmimi rôznymi metódami analýzy údajov o plazmatickom melatoníne a zistili, že „metódy využívajúce údaje o plazmatickom melatoníne možno považovať za spoľahlivejšie ako metódy využívajúce CBT alebo údaje o kortizole ako ukazovateľ cirkadiánnej fázy u ľudí“.

Medzi ďalšie fyziologické zmeny, ktoré prebiehajú v súlade s cirkadiánnym rytmom, patrí srdcová frekvencia a tvorba červených krviniek.

Mimo „hlavných hodín“

Viac-menej nezávislé cirkadiánne rytmy sa nachádzajú v mnohých orgánoch a bunkách v tele mimo suprachiasmatického jadra (SCN), „hlavných hodín“. Tieto hodiny, nazývané periférne oscilátory, sa nachádzajú v pažeráku, pľúcach, pečeni, pankrease, slezine, týmuse a koži. Hoci oscilátory v koži reagujú na svetlo, systémový vplyv sa doteraz nepreukázal. Existujú aj určité dôkazy, že v čuchovej žiarovke a prostate sa pri kultivácii môžu vyskytovať oscilácie, čo naznačuje, že aj tieto štruktúry môžu byť slabými oscilátormi.

Okrem toho sa zdá, že napríklad pečeňové bunky reagujú skôr na kŕmenie ako na svetlo. Zdá sa, že bunky z mnohých častí tela majú voľnejšie rytmy.

Svetlo a biologické hodiny

Svetlo resetuje biologické hodiny v súlade s krivkou fázovej odozvy (PRC). V závislosti od načasovania môže svetlo urýchliť alebo oneskoriť cirkadiánny rytmus. PRC aj potrebná intenzita osvetlenia sa líšia od druhu k druhu a na resetovanie hodín u nočných hlodavcov sú potrebné nižšie hladiny svetla ako u ľudí.

Úrovne osvetlenia, ktoré ovplyvňujú cirkadiánny rytmus u ľudí, sú vyššie ako úrovne bežne používané pri umelom osvetlení v domácnostiach. Podľa niektorých výskumníkov musí intenzita osvetlenia, ktorá excituje cirkadiánny systém, dosahovať až 1000 luxov dopadajúcich na sietnicu.

Predpokladá sa, že smer svetla môže mať vplyv na nastavenie cirkadiánneho rytmu; svetlo prichádzajúce zhora, pripomínajúce obraz jasnej oblohy, má väčší účinok ako svetlo, ktoré vstupuje do našich očí zdola.

Podľa štúdie, ktorú v roku 2010 dokončilo Centrum pre výskum osvetlenia, má denné svetlo priamy vplyv na cirkadiánne rytmy, a tým aj na výkonnosť a pohodu. Výskum ukázal, že študenti, ktorí ráno zažívajú poruchy v režime osvetlenia, následne pociťujú poruchy v spánku. Zmena spánkového režimu môže mať negatívny vplyv na výkon a bdelosť študentov. Odstránenie cirkadiánneho svetla ráno oddiali nástup melatonínu pri tlmenom svetle o 6 minút denne, celkovo o 30 minút počas piatich dní.

Štúdie Nathaniela Kleitmana z roku 1938 a Derka-Jana Dijka a Charlesa Czeislera z rokov 1994/5 uviedli ľudské subjekty na viac ako mesiac do nútených 28-hodinových cyklov spánku a bdenia pri stálom tlmenom svetle a s potlačením iných časových signálov. Keďže normálni ľudia sa nedokážu prispôsobiť 28-hodinovému dňu pri tlmenom svetle, ak vôbec, označuje sa to ako protokol nútenej desynchrónie. Epizódy spánku a bdenia sú oddelené od endogénnej cirkadiánnej periódy približne 24,18 hodiny a výskumníci môžu hodnotiť vplyv cirkadiánnej fázy na aspekty spánku a bdenia vrátane latencie spánku a iných funkcií.

Biologické hodiny Popis cirkadiánnych rytmov u rastlín podľa de Mairana, Linnéa a Darwina
Stanfordova informačná stránka
Časopis Circadian Rhythms