Artykuł metodologiczny

Fenotypowanie okołodobowe człowieka i dobowe testy wydajności w świecie rzeczywistym

DOI:

10.3791/60448

⸱

7 kwietnia 2020

 ,  ,  , 
1Chronobiology, Faculty of Health & Medical Sciences, University of Surrey, 2Centre for Human Brain Health, University of Birmingham, 3Turner Institute for Brain and Mental Health, School of Psychological Sciences, Monash University

W tym artykule

Podsumowanie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Tutaj prezentujemy metodę badania rytmów dobowych w wydajności po dokładnej kategoryzacji uczestników do grup fenotypów okołodobowych na podstawie Monachijskiego Kwestionariusza Chronotypu, złotego standardu biomarkerów fazy okołodobowej i miar aktygraficznych.

Streszczenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

W naszym stale rozwijającym się społeczeństwie 'całodobowym', istnieje potrzeba zwiększenia naszego zrozumienia, jak zmiany w biologii, fizjologii i psychologii wpływają na nasze zdrowie i wydajność. Z tym wyzwaniem wiąże się rosnąca potrzeba uwzględnienia indywidualnych różnic w rytmie snu i rytmu okołodobowego, a także zbadania wpływu pory dnia na wydajność w świecie rzeczywistym. Istnieje wiele sposobów pomiaru snu i rytmu okołodobowego, od subiektywnych metod opartych na kwestionariuszach po obiektywne monitorowanie snu i czuwania, aktygrafię i analizę próbek biologicznych. W niniejszym artykule zaproponowano protokół, który łączy wiele technik kategoryzacji osób na grupy wczesnego, średniego lub późnego fenotypu okołodobowego (ECP/ICP/LCP) i zalecono, jak przeprowadzać dobowe testy wydajności w terenie. Reprezentatywne wyniki pokazują duże różnice we wzorcach aktywności spoczynkowej wynikających z aktygrafii, fazy okołodobowej (początek melatoniny w słabym świetle i szczytowy czas reakcji przebudzenia kortyzolu) między fenotypami okołodobowymi. Ponadto znaczące różnice w dobowym rytmie wydajności między ECP i LCP podkreślają potrzebę uwzględnienia fenotypu okołodobowego. Podsumowując, pomimo trudności w kontrolowaniu czynników wpływających, protokół ten pozwala na rzeczywistą ocenę wpływu fenotypu okołodobowego na wydajność. W artykule przedstawiono prostą metodę oceny fenotypu okołodobowego w tej dziedzinie i wspiera potrzebę uwzględnienia pory dnia podczas projektowania badań wydajności.

Wprowadzenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Na poziomie behawioralnym, ocena indywidualnych wzorców odpoczynku/aktywności może być przeprowadzona za pomocą subiektywnych metod opartych na kwestionariuszu lub obiektywnego monitorowania za pomocą aktygrafii nadgarstka. Dane aktygraficzne zostały zweryfikowane pod kątem polisomnografii (PSG) dla różnych parametrów snu, w tym: całkowitego czasu snu, efektywności snu i budzenia się po rozpoczęciu snu1. Chociaż PSG jest znany jako złoty standard pomiaru snu, jest trudny do stosowania przez dłuższy czas poza laboratorium snu2. W związku z tym aktygrafy mają stanowić prostą, bardziej opłacalną alternatywę dla PSG i umożliwiać monitorowanie 24-godzinnego wzorca odpoczynku/aktywności. Subiektywne miary samoopisowe mogą definiować czyjś "chronotyp" za pomocą Monachijskiego Kwestionariusza Chronotypu (MCTQ)3, lub preferencji dobowej za pomocą Kwestionariusza Poranka-Wieczoru (MEQ)4. Grupy na obu końcach tego spektrum można określić jako wczesne fenotypy okołodobowe (ECP) i późne fenotypy okołodobowe (LCP), a te pomiędzy nimi jako pośrednie fenotypy okołodobowe (ICP).

Chociaż ECP i LCP są wyraźnie rozróżniane poprzez ich zachowanie (tj. wzorce snu/czuwania), te indywidualne różnice są również częściowo napędzane przez różnice w fizjologii5 i predyspozycje genetyczne6,7. Biomarkery fizjologiczne są często wykorzystywane do określenia fazy okołodobowej/czasu u danej osoby. Dwa z głównych hormonów wskazujących na czas okołodobowy to melatonina, która wzrasta wieczorem, aby osiągnąć szczyt w środku nocy, oraz kortyzol, który osiąga szczyt rano8. Korzystając z tych markerów fazy okołodobowej, można zidentyfikować indywidualne różnice we wzorcach snu i czuwania. Na przykład, początek melatoniny w słabym świetle (DLMO)9,10 i czas reakcji przebudzenia kortyzolu11,12 osiąga szczyt wcześniej w ECP, co jest odzwierciedlone przez dobowy rytm temperatury ciała13. Ślina umożliwia łatwe, bezpieczne i nieinwazyjne pobranie, z którego hormony te mogą być analizowane za pomocą testu radioimmunologicznego (RIA) lub testu immunoenzymatycznego (ELISA) bez konieczności ekstrakcji jakiegokolwiek materiału komórkowego. RIA i ELISA to czułe i specyficzne testy, które wykrywają stężenia antygenów w próbkach biologicznych (np. krwi, osoczu lub ślinie) poprzez reakcje antygen-przeciwciało z udziałem izotopów znakowanych radioaktywnie (np. jodu (125I) lub przeciwciał sprzężonych z enzymami14).

Ściśle kontrolowane protokoły laboratoryjne, takie jak stała rutyna (CR) i wymuszona desynchronizacja (FD), są złotym standardem w dziedzinie chronobiologii do badania endogennych rytmów okołodobowych15. Istnieje jednak coraz większa potrzeba badania osób w ich środowisku domowym poza sztucznymi warunkami laboratoryjnymi w celu zebrania danych kontekstowych i zwiększenia zewnętrznej trafności wyników. W związku z tym potrzebujemy lepszych sposobów kategoryzacji, mierzenia i oceny indywidualnych różnic w tej dziedzinie. Ponadto odkryto dzienne różnice w różnych pomiarach wydajności fizycznej (wydolność tlenowa, siła mięśni) i poznawczej (czas reakcji, trwała uwaga, funkcje wykonawcze), przy czym ECP osiągają lepsze wyniki wcześniej w ciągu dnia, a LCP wieczorem16,17. Podkreśla to, że pora dnia i fenotyp okołodobowy powinny być czynnikami, które są brane pod uwagę podczas przeprowadzania testów wydajności w badaniach naukowych.

Liczba różnych środków i protokołów stosowanych w badaniach laboratoryjnych pozwala na wdrożenie ściśle kontrolowanych warunków. Badania terenowe są zwykle trudniejsze ze względu na liczbę czynników wpływających. Dlatego stosowanie bardziej holistycznego podejścia poprzez łączenie wielu technik może zapewnić większą dokładność podczas monitorowania zachowania, psychologii i wydajności danej osoby w jej środowisku domowym18. W tym miejscu omawiamy metodę, którą można łatwo wdrożyć w terenie w celu identyfikacji indywidualnych różnic w fenotypach okołodobowych za pomocą MCTQ, aktygrafii i biomarkerów fizjologicznych. Stawiamy hipotezę, że zmienne te będą się znacznie różnić między grupami fenotypu okołodobowego i będą istotnie skorelowane z chronotypem (= skorygowany w połowie snu w dni wolne (MSFsc) zebrane z MCTQ). Ponadto sugerujemy sposoby pomiaru wydajności dobowej, podkreślając potrzebę analizy danych osobno dla każdej grupy fenotypu okołodobowego. Stawiamy hipotezę, że różnice w dobowym rytmie wydajności zostaną zatarte, jeśli dane będą analizowane tylko na poziomie całej populacji.

Protokół

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Wszystkie opisane tutaj metody zostały zatwierdzone przez Komitet Etyki Badań Uniwersytetu w Birmingham.

1. Selekcja uczestników i projekt eksperymentu

  1. Wykonuj wszystkie metody zgodnie z odpowiednimi zezwoleniami etycznymi, zgodnie z Deklaracją Helsińską i uzyskaj pisemną świadomą zgodę od wszystkich uczestników przed jakimkolwiek zaangażowaniem.
  2. Rekrutuj uczestników, u których nie zdiagnozowano zaburzeń snu, neurologicznych lub psychiatrycznych oraz bez przyjmowania jakichkolwiek leków wpływających na rytm snu, melatoniny lub kortyzolu.
  3. Upewnij się, że żaden z uczestników nie jest pracownikiem zmianowym, uczestnicy nie podróżowali więcej niż dwie strefy czasowe w ciągu ostatniego miesiąca i mogą swobodnie wziąć udział w badaniu (tj. mogą zobowiązać się do noszenia zegarka Actiwatch, oddać próbki śliny w "dzień wolny" i być obecni na testach wydajności w określonych godzinach (patrz punkt 2.1)).
  4. Zaproś uczestników, którzy spełnią kryteria włączenia, do wzięcia udziału w wstępnym spotkaniu w celu uzyskania zgody, zebrania danych z kwestionariusza, odbycia szkolenia w zakresie pobierania próbek śliny w domu oraz wyposażenia w urządzenie aktygraficzne i dziennik snu. Na tym spotkaniu należy zapoznać uczestników z fizjologicznymi protokołami pobierania próbek, aby upewnić się, że rozumieją, co jest wymagane (patrz sekcja 3).
  5. Poproś uczestników o wypełnienie Monachijskiego Kwestionariusza Chronotypu (MCTQ), który ocenia indywidualne różnice w zmiennych snu/czuwania oraz ekspozycji na światło w pracy i dni wolne3. Pozwala to na obliczenie skorygowanych czasów snu w środku snu w dni wolne (MSFsc), używanych jako znacznik chronotypu.

2. Aktygrafia i dzienniki snu

  1. Przez co najmniej dwa tygodnie19 (mogą to być dłuższe okresy czasu, w zależności od celów badania), poproś uczestników o noszenie monitora aktywności na nadgarstku lub "aktygrafu", aby zbierać wzorce odpoczynku/aktywności i dane świetlne (1-32 000 luksów) przez cały okres badania.
  2. Podaj każdemu uczestnikowi szczegółowe informacje o tym, jak korzystać z aktygrafów, w tym zdejmowanie ich do kąpieli/prysznica (jeśli nie są wodoodporne) i zapobieganie zakrywaniu ich rękawami, aby umożliwić zebranie danych świetlnych. Upewnij się, że aktygrafy są noszone na niedominującym nadgarstku.
  3. W połączeniu z aktygrafią i w celu ułatwienia analizy snu i czuwania pochodzącej z danych aktygraficznych, daj każdemu uczestnikowi dziennik snu do codziennego wypełniania. Upewnij się, że zadawane pytania obejmują pory snu, pory snu, przebudzenia w nocy, godziny pobudzenia, jakość snu, drzemki i godziny, w których aktygrafy zostały usunięte.
  4. Zbierz dane aktygraficzne do analizy spoczynku/aktywności, ustalając parametry zgodnie z tym, co jest wymagane (w tym badaniu wykorzystano częstotliwość próbkowania 30 Hz i ustawienie średniej czułości). Wyodrębnij szczegóły dotyczące codziennych pór snu i wstawania z dzienników snu i danych wejściowych do oprogramowania producenta lub alternatywy (np. kodu zweryfikowanego przez open source w celu uzyskania zmiennych aktygraficznych istotnych dla badania).

3. Pobieranie próbek fizjologicznych

  1. Wstępnie przygotuj pakiety do pobierania próbek, oznaczając polipropylenowe probówki do pobierania lub śliny (w tym badaniu należy użyć 7 ml plastikowego biżu). Oznacz probówki numerem identyfikacyjnym uczestnika, porannymi lub wieczornymi numerami próbek oraz indywidualnymi numerami próbek. Dołącz "zapasową" rurkę do użycia w przypadku błędów.
  2. Przygotuj kartę zapisu pobierania próbek zarówno dla protokołu porannego, jak i wieczornego, aby umożliwić uczestnikom oznaczenie czasowe pobrania próbek (np. próbka poranna 1, czas pobrania = gg:mm, próbka poranna 2, czas pobrania = gg:mm). Podaj numer identyfikacyjny uczestnika, datę uzyskania informacji sezonowych i lokalizację do obliczenia fotoperiodu.
    UWAGA: Bardzo ważne jest, aby czas wojskowy był wykorzystywany, aby upewnić się, że nie ma problemów z poranną / popołudniową wiadomością. Do rozróżnienia próbek można również użyć różnych kolorowych etykiet dla porannych i wieczornych probówek do pobierania próbek.
  3. Podczas szkolenia należy przekazać uczestnikom odpowiednie protokoły pobierania próbek fizjologicznych oraz gotowe pakiety dotyczące pobierania próbek śliny w środowisku domowym/zawodowym.
  4. Poinformuj uczestnika, że próbki muszą zostać pobrane w wolny dzień, kiedy uczestnicy mogą położyć się spać i obudzić się o preferowanych porach (tj. bez konieczności alarmu). Aby zapewnić wiarygodne obliczenia DLMO, uczestnicy nie powinni wykonywać wieczornego protokołu pobierania próbek śliny dzień przed testem wydajności ze względu na konieczność pozostania w stanie czuwania po zwykłej porze snu.
  5. Poproś uczestników, aby przeznaczyli jeden poranek i jeden wieczór (tego samego dnia) w drugim tygodniu badania, kiedy są w stanie zobowiązać się do oddania próbek śliny. Poinformuj uczestników, aby pobrali próbki rano, a następnie wieczorem tego samego dnia.
    UWAGA: Należy przestrzegać kolejności pobierania próbek (rano, a następnie wieczorem), aby upewnić się, że wszelkie zmiany w czasie snu nie wpływają na wyniki (jeśli najpierw pobierane są próbki wieczorne, które wymagają pozostania w stanie czuwania po zwykłej porze snu, może to mieć wpływ na poranne próbki, jeśli zostaną pobrane następnego dnia).
  6. Poranny protokół pobierania próbek w celu uzyskania odpowiedzi na przebudzenie kortyzolu
    1. Upewnij się, że próbki śliny są pobierane w momencie pierwszego przebudzenia (jeszcze w łóżku), co 15 minut przez pierwszą godzinę, a następnie co 30 minut przez następne 1 do 2 godzin. Próbki śliny należy pobierać, wypluwając je do odpowiednio oznakowanej fiolki (zaczynając od nr 1, 2, 3 itd.).
    2. W tym okresie należy upewnić się, że uczestnicy: powstrzymali się od napojów alkoholowych, napojów zawierających sztuczne barwniki i żywności na czas badania oraz powstrzymali się od mycia zębów, z pastą do zębów lub bez pasty do zębów w okresie pobierania próbek.
    3. Po dostarczeniu wszystkich próbek należy upewnić się, że uczestnicy przechowują je w zamrażarce w temperaturze -20 °C do czasu ich pobrania przez zespół badawczy.
      UWAGA: Jeśli to możliwe, najlepiej jest przechowywać próbki zamrożone, ale pozostaną one żywe, jeśli będą przechowywane w lodówce do momentu odbioru następnego dnia. Zgodnie z ustawą o tkankach ludzkich (HTA) z 2004 r. próbki muszą zostać pobrane i przetworzone w ciągu siedmiu dni od pobrania, aby stały się bezkomórkowe, chyba że instytucja przeprowadzająca analizę posiada licencję HTA.
  7. Wieczorny protokół pobierania próbek w przypadku wystąpienia melatoniny w słabym świetle
    1. Upewnij się, że próbki śliny są pobierane co 30 minut od 3 do 4 godzin przed zwykłym snem do 1 do 2 godzin po zwykłej porze snu (np. jeśli nawykowa pora snu to 22:00, uczestnik zacznie od 18:00/19:00 do 23:00/00:00). Pobrać próbki śliny, wypluwając je do odpowiednio oznakowanej fiolki (zaczynając od nr 1, następnie 2, 3 itd.).
    2. W tym okresie upewnij się, że uczestnicy: powstrzymali się od napojów zawierających kofeinę (np. herbaty, kawy, coca-coli) od 6 godzin przed zwykłą porą snu (np. jeśli nawykowa pora snu to 22:00, spożycie kofeiny powinno zakończyć się o godzinie 16:00 w dniu odbioru).
    3. Upewnij się, że uczestnicy siedzą w pomieszczeniu przy słabym oświetleniu (< 10 luksów, np. pojedyncza lampa stołowa, najlepiej czerwone światło, po drugiej stronie pomieszczenia, bez górnych świateł, bez ekranów elektronicznych, zasłony zasunięte). Upewnij się, że uczestnicy unikają picia napojów zawierających alkohol lub sztuczne barwniki i powstrzymają się od mycia zębów, pastą do zębów lub bez, w okresie pobierania próbek.
    4. Jeśli uczestnicy chcą coś zjeść, udać się do toalety lub przygotować napój bezkofeinowy, upewnij się, że zrobią to natychmiast po pobraniu próbki i spróbuj ponownie usiąść na 15 minut przed pobraniem następnej próbki. Jeśli pokarm jest spożywany między próbkami, upewnij się, że uczestnicy przepłukali usta wodą 15 minut przed pobraniem następnej próbki.
    5. Upewnij się, że wszystkie inne pomieszczenia mają takie same warunki oświetleniowe, tak aby uczestnik pozostawał w przyciemnionym świetle (najlepiej czerwonym świetle) przez cały okres próbkowania.
    6. Po dostarczeniu wszystkich próbek należy upewnić się, że uczestnicy przechowują je w zamrażarce w temperaturze -20 °C do czasu ich pobrania przez zespół badawczy.
      UWAGA: Bardzo ważne jest, aby uczestnicy przestrzegali protokołu przyciemnionego światła. Tam, gdzie to możliwe, badacze powinni mierzyć warunki oświetleniowe, aby monitorować intensywność i skład spektralny.

4. Test radioimmunologiczny

  1. Wykonaj RIA lub ELISA melatoniny i kortyzolu w ludzkiej ślinie, aby określić względne stężenia w każdym punkcie czasowym.
    UWAGA: W procedurze w tych reprezentatywnych wynikach wykorzystano RIA ze znacznikiem znakowanym radioaktywnie jodem (125I) i separacją faz stałych. Protokół ten jest rutynowo stosowany w Laboratorium Chronobiologii, University of Surrey, UK20.
  2. Obliczyć poszczególne DLMO jako punkt czasowy, w którym stężenie melatoniny przekracza dwa odchylenia standardowe trzech miar podstawowych (pierwszych trzech próbek).
    UWAGA: Ta metoda dostosowuje się do indywidualnych różnic linii bazowej w porównaniu z użyciem stężenia ryczałtowego14. Inne metody mogą być stosowane w zależności od punktów czasowych użytych w próbkowaniu (np. w okresie 24 godzin dla pełnego profilu14).
  3. Oblicz szczyt kortyzolu jako czas najwyższego stężenia kortyzolu zarejestrowany podczas porannej reakcji na przebudzenie kortyzolu.

5. Dobowe testy wydajności

UWAGA: Miary, które zostały użyte w tym protokole, to Zadanie Czujności Psychomotorycznej (PVT)21, oraz Skala Senności Karolinska (KSS)22. Jednak inne testy mogą być stosowane przy zachowaniu tego samego schematu w zależności od celu badania (np. jeśli badanie dotyczyło wpływu fenotypu okołodobowego na pamięć roboczą, wymagane byłoby zadanie pamięciowe).

  1. Poproś uczestników, aby w ciągu tygodnia poprzedzającego testowanie wykonali co najmniej jedną próbę próbną (w zależności od zadania), aby zapoznać się z konfiguracją.
    UWAGA: Próby próbne mogą być wykonywane zdalnie, jeśli są monitorowane. Liczba testów praktycznych powinna być dostosowana w zależności od zadania lub zadań wykorzystywanych w badaniu. Na przykład bardziej złożone zadanie funkcji wykonawczych może wymagać wielu testów praktycznych, aby osiągnąć plateau w porównaniu z prostszym zadaniem.
  2. Zorganizuj sesje testowe zgodnie z hipotezami badania opartymi na liczbie badanych punktów czasowych w określonych godzinach zegarowych.
    UWAGA: W zależności od projektu badania, testy wydajności można przeprowadzić w domu lub w laboratorium. Ze względu na wrażliwy na czas charakter protokołu, jeśli testy wydajności są wykonywane w środowisku domowym, zgodność musi być monitorowana, aby upewnić się, że uczestnicy przeprowadzają je sami, a także są oznaczeni godziną i datą.
  3. Przeprowadź testy na odpowiednim urządzeniu (w tym badaniu użyto DQ67OW, procesora i7-2600, 4 GB pamięci RAM, 32-bitowego pulpitu ze standardową klawiaturą i myszą).
    UWAGA: Jeśli do testowania wymagany jest laptop, iPad lub inne urządzenie, upewnij się, że to samo urządzenie i ustawienia są używane przez cały czas trwania badania i podczas każdej sesji testowej ze względu na potencjalną zmienność odpowiedzi z myszy i gładzika a ekranu dotykowego.

6. Analiza

  1. Kategoryzuj grupy fenotypów okołodobowych na podstawie ich wartości dla pięciu zebranych zmiennych: MSFsc, czas budzenia, czas szczytu reakcji na przebudzenie kortyzolu, DLMO i początek snu (wartości graniczne podano w Tabeli 1).
  2. Przydziel wynik dla każdej zmiennej dla każdego uczestnika. Zmienna jest alokowana do 0, jeśli znajduje się w kategorii PPK, 1, jeśli znajduje się w kategorii ICP i 2, jeśli znajduje się w kategorii LCP. Na przykład, jeśli uczestnik znajduje się w kategorii LCP dla wszystkich zmiennych, uzyska wynik 10. Spośród całkowitego wyniku od 0 do 10 zidentyfikuj uczestników jako PPK (0-3), ICP (4-6) i LCP (7-10).
  3. Na podstawie całkowitego wyniku, podkategorie fenotypów okołodobowych można określić w następujący sposób: 0 = skrajne ECP, 1 = określone ECP, 2 = umiarkowane ECP, 3 = łagodne ECP, 4 = wczesne ICP, 5 = ICP, 6 = późne ICP, 7 = łagodne LCP, 8 = umiarkowane LCP, 9 = określone.
    UWAGA: Analiza statystyczna powinna być ustalana na podstawie pytań badawczych dla poszczególnych badań. Badania nieparametryczne powinny być stosowane w przypadku, gdy dane nie są zgodne z rozkładem normalnym. Należy przeprowadzić testy post hoc w celu określenia wpływu pory dnia. W przypadku pomiaru szeregu parametrów należy dokonać dalszych korekt wielokrotnych porównań (np. korekta wartości p FDR).

Wyniki

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Te wyniki w ECP i LCP zostały wcześniej opublikowane przez Facer-Childs, Campos, et al.23. Wszystkie uprawnienia zostały uzyskane od wydawcy. W przypadku badań wymagających zbadania wszystkich trzech grup (wczesna, pośrednia i późna) można zastosować te same metody i wartości odcięcia.

Fenotypowanie okołodobowe (Tabela 1, Tabela 2 i Rysunek 1)
Pierwszą hipotezą przedstawioną w tym artykule jest to, że grupy różniłyby się znacznie pod względem zmiennych dotyczących snu i okołodobowych. Spośród uczestników (n = 22), którzy wzięli udział w tym badaniu, ci, którzy zostali sklasyfikowani jako PPK, mieli wynik między 0-1, a wszystkie LCP między 8-10 (punkty odcięcia podane w tabeli 1). Aby potwierdzić te wyniki, porównano średnie grupowe dla każdej zmiennej. MSFsc wynosił 02:24 ± 00:10 h dla PPK w porównaniu do 06:52 ± 00:17 h w LCP (t(36) = 12,2, p < 0,0001). Markery fizjologiczne również różniły się znacznie między obiema grupami. DLMO wystąpiło o godz. 20:27 ± 00:16 w PPK i o godz. 23:55 ± 00:26 w LCPS (t(30) = 6,8, p < 0,0001). Szczytowy czas reakcji przebudzenia kortyzolu nastąpił o 07:04 ± 00:16 w ECP i 11:13 ± 00:23 w LCP (t(36) = 8,0, p < 0,0001). Takie same zależności zaobserwowano w przypadku zmiennych aktygraficznych dotyczących czasu zasypiania i pobudki, przy czym średni początek snu przypada na godzinę 22:57 ± 00:10 w PPK i 02:27 ± 00:19 w LCP (t(34) = 8,9, p < 0,0001) oraz czas budzenia przypadający na godzinę 06:33 ± 0,10 h w PPK i 10:13 ± 00:18 w LCP (t(34) = 9,9, p < 0,0001). Inne zmienne snu, w tym czas trwania, wydajność i opóźnienie, nie różniły się istotnie między grupami (Tabela 2).

Druga hipoteza mówi, że MSFsc zebrane z MCTQ byłyby znacząco skorelowane ze złotym standardem biomarkerów aktygraficznych i okołodobowych. Rysunek 1 pokazuje, że MSFsc był istotnie skorelowany z DLMO (R2 = 0,65, p < 0,0001), szczytowym czasem reakcji na przebudzenie kortyzolu (R2 = 0,75, p < 0,0001), początkiem snu (R2 = 0,80, p < 0,0001) i czasem budzenia (R2 = 0,86, p < 0,0001).

Te reprezentatywne wyniki pokazują, że różne grupy fenotypów okołodobowych mają wyraźne różnice w początku/przesunięciu snu (tj. czasie pobudki), a także w zmiennych fizjologicznych (DLMO i szczytowy czas porannego kortyzolu).

Dzienne testy (Rysunek 2)
Postawiono hipotezę, że poprzez wielokrotne testowanie w ciągu dnia, rytmy dobowe w subiektywnej senności i wydajności będą w stanie zidentyfikować w każdej grupie (ECP/LCP). Ponadto postawiono hipotezę, że gdyby fenotypy okołodobowe nie były brane pod uwagę, a dane były analizowane tylko na poziomie całej grupy, wówczas dobowe zmiany byłyby błędnie przedstawione.

Stwierdzono znaczące różnice dobowe na poziomie całej grupy dla PVT i KSS. Wydajność PVT podczas sesji testowej o godzinie 08:00 była znacznie wolniejsza niż podczas testu o godzinie 14:00 (p = 0,027), podobnie jak subiektywna senność (p = 0,024). Istotnie wolniejsze działanie PVT stwierdzono również między godziną 08:00 a 20:00 (p = 0,041).

Gdy każda grupa była analizowana osobno, stwierdzono znaczące dobowe różnice w wydajności PVT w LCP, ale nie w ECP. LCP były istotnie gorsze o godz. 08:00 w porównaniu do godz. 14:00 (p = 0,0079) i lepsze o godz. 20:00 w porównaniu z godz. 08:00 (p = 0,0006). Subiektywna senność wykazała znaczne różnice dobowe w każdej grupie. PPK odnotowały wyższą senność o godzinie 20:00 w porównaniu do godziny 08:00 (p = 0,0054). Odwrotną sytuację zaobserwowano u LCP, którzy zgłaszali największą senność o godzinie 08:00, a najniższą o godzinie 20:00. Senność o godz. 08:00 była istotnie wyższa niż o godz. 14:00 i 20:00 w LCP (obie p < 0,0001).

figure-results-1
Rysunek 1: Analiza regresji liniowej w celu pokazania relacji między zmiennymi snu/czuwania przy użyciu aktygrafii i biomarkerów fizjologicznych. Skorygowana połowa snu w dni wolne (MSFsc) jest wyświetlana jako pora dnia (h) na osi x. Wczesne fenotypy okołodobowe (ECP) są pokazane w niebieskim polu, a późne fenotypy okołodobowe (LCP) w czerwonym polu. (a) Szczytowy czas reakcji przebudzenia kortyzolu (h), (b) Czas budzenia (h), (c) Początek melatoniny przy słabym świetle (DLMO) (h), (d) Czas zasypiania (h). Wartość R2 jest pokazana w prawym dolnym rogu, a poziom istotności jest wyświetlany na poziomie **** = p < 0,0001. Ten rysunek został zmodyfikowany, za zgodą, przez Facer-Childs, et al.23. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-2
Rycina 2: Krzywe zmian dobowych w skali senności Karolinska i wydajności zadania czujności psychomotorycznej (PVT). Pora dnia (h) jest pokazana na osi x. Wyniki całej grupy przedstawiono w pierwszej kolumnie, wczesne fenotypy okołodobowe (ECP) w drugiej kolumnie, a późne fenotypy okołodobowe (LCP) w trzeciej kolumnie. (a) Subiektywna senność (KSS), (b) Czas reakcji na PVT (s). Dopasowano wielomianowe krzywe regresji nieliniowej drugiego rzędu. Poziom istotności jest pokazany jako ns (nieistotny), * (p < 0,05), ** (p < 0,01), *** (p < 0,001) i **** (p < 0,0001). Ten rysunek został zmodyfikowany, za zgodą, przez Facer-Childs, et al.23. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

. . . . .
Zmienna mierzonaKategoria PPKKategoria ICPKategoria LCP
Czas budzenia aktygraficznego< 07:30 h07:31 - 08:29 godz> 08:30 h
Szczytowy czas porannego kortyzolu< 08:0008:01 - 08:59 godz> 09:00 h
Początek melatoniny przy słabym świetle (DLMO)< 21:30 h21:31 - 22:29 godz> 22.30 h
Aktygraficzny początek snu< 23:30 h23:31 - 00:29 godz> 00:30 h
Poprawiono mid-sleep w dni wolne (MSFsc)< 04:00 h04:01 - 04:59 godz> 05:00 h
Wynik dla zmiennej01cyfra arabska
ŁĄCZNY WYNIK0 - 34 - 67 - 10
Podkategorie0 = skrajny ECP
1 = określony ECP
2 = umiarkowany ECP
3 = łagodne ECP		4 = wczesny ICP
5 = ICP
6 = spóźniony ICP		7 = łagodny LCP
8 = umiarkowany LCP
9 = określony LCP
10 = ekstremalne LCP

Tabela 1: Punkty odcięcia kategoryzacji dla fenotypowania okołodobowego na grupy wczesne (ECP), średnio zaawansowane (ICP) i późne (LCP). Każda zmienna ma przypisany wynik na uczestnika w zależności od jego wyniku, a łączne wyniki (0-10) umożliwiają kategoryzację w każdej grupie i każdej podkategorii.

Zmienna mierzonaPPK (PPK)Wskaźniki LCPznaczenie
Wielkość próbyN = 16N = 22N/a
Liczba samców/kobietM = 7M = 7p = 0,51c
F = 9F = 15
Wiek (lata)24.69 ± 4.6021,32 ± 3,27 latp = 0,028a
Wysokość (cm)171,30 ± 1,97171,10 ± 2,38p = 0,97A
Waga (kg)66,44 ± 2,7867.05 ± 2.10p = 0,88A
MSFsc (gg:mm)02:24 ± 00:1006:52 ± 00:17p < 0,0001a
Początek snu (hh:mm)22:57 ± 00:1002:27 ± 00:19p < 0,0001a
Czas budzenia (gg:mm)06:33 ± 0.1010:13 ± 00:18p < 0,0001a
Czas trwania snu (h)7,59 ± 0,187,70 ± 0,14p = 0,72A
Efektywność snu (%)79,29 ± 1,9677,23 ± 1,14p = 0,46A
Opóźnienie początku snu (gg:mm)00:25 ± 00:0600:25 ± 00:03p = 0,30b
Kąt fazowy (hh:mm)02:28 ± 00:1602:34 ± 00:18p = 0,84A
Przyćmione światło Początek melatoniny (hh:mm)20:27 ± 00:1623:55 ± 00:26p < 0,0001a
Czas szczytu kortyzolu (hh:mm)07:04 ± 00:1611:13 ± 00:23p < 0,0001a

Tabela 2: Zmienne badania dla grup fenotypów okołodobowych; Wcześnie (PPK) i późno (LCP). Wartości są podawane jako średnia ± SEM, z wyjątkiem wieku, który jest wyświetlany jako średnia ± SD. Skorygowana połowa snu w dni wolne (MSFsc) jest obliczana na podstawie MCTQ. Rodzaj zastosowanych testów statystycznych jest podany w indeksie górnym; testy parametrycznea, testy nieparametryczneb i test dokładnyFishera c. Kąt fazowy jest określany przez różnicę (h) między początkiem melatoniny w słabym świetle (DLMO) a początkiem snu. Wszystkie wartości p są poprawione przez FDR24. Ta tabela została zmodyfikowana, za zgodą, przez Facer-Childs, et al.23.

Dyskusja

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ze względu na złożoną interakcję wpływów zależnych od okołodoby i snu na zachowanie, zbadanie względnego wkładu każdego z nich jest wyzwaniem. Protokoły laboratoryjne są w dużej mierze nierealistyczne i drogie, a zatem mają gorszą wartość zewnętrzną, jeśli chodzi o odniesienie wyników do codziennego funkcjonowania25. W związku z tym istnieje coraz większa potrzeba badania osób w ich środowisku domowym, aby promować możliwość uogólnienia na konteksty świata rzeczywistego. Chociaż badania terenowe nie pozwalają na kontrolę wpływów egzogennych, zintegrowane podejście może pomóc rzucić światło na to, jak zarówno czynniki biologiczne, jak i środowiskowe wpływają na zdrowie, fizjologię i wydajność 23,26,27. Protokół ten został zaprojektowany specjalnie, aby móc monitorować osoby w ich środowisku domowym podczas wykonywania ich zwykłych rutyn. Te protokoły pobierania próbek śliny zostały z powodzeniem przeprowadzone w trudnych warunkach, takich jak Amazonia28 i Antarktyda29, co ułatwia przeprowadzenie tego protokołu.

Kwestionariusze są przydatnym narzędziem w badaniach snu i okołodobowych, ponieważ pozwalają w szybki i prosty sposób zebrać szeroki zakres informacji. Jednak rozbieżności między subiektywnymi i obiektywnymi miarami mogą stwarzać trudności przy próbie badania różnic indywidualnych. W związku z tym możliwość zebrania wielu subiektywnych i obiektywnych miar może wzmocnić kategoryzację grup fenotypów okołodobowych. Ta kombinacja metod - MCTQ, aktygrafii, fizjologicznego pobierania próbek i testowania wydajności - pokazała, jak wyniki mogą być błędnie interpretowane, jeśli nie weźmie się pod uwagę indywidualnych różnic w fenotypach okołodobowych. Pomiar wszystkich tych zmiennych zapewnia najbardziej wiarygodną kategoryzację grup fenotypów okołodobowych, jednak istnieje potencjał do dalszego rozwoju metody, aby umożliwić mniejsze wymagania. Na przykład, chociaż niezawodność pozostaje do zbadania, aby obniżyć koszty, naukowcy mogą usunąć etap pobierania próbki kortyzolu lub użyć innego kwestionariusza. Warto jednak zauważyć, że ponieważ DLMO jest obecnie złotym standardem pomiaru czasu okołodobowego, a aktygrafia jest standardową metodą monitorowania wzorców odpoczynku/aktywności, byłyby to podstawowe zmienne, które należy uwzględnić w ocenach.

Planowanie testów wydajności w oparciu o czasy zegarowe zamiast opierania czasu na podstawie czasu względem indywidualnego (wewnętrznego czasu biologicznego) zwiększa wykonalność i pozwala na zastosowanie protokołu w warunkach rzeczywistych. Ograniczeniem tego projektu jest jednak brak możliwości określenia wpływu układu okołodobowego w porównaniu z wpływami homeostatycznymi. Staje się to wyzwaniem, ponieważ nie ma możliwości potwierdzenia konkretnych mechanizmów przyczyniających się do uzyskania wyników. Ponieważ jednak celem tego protokołu jest zbadanie tych grup w rzeczywistym scenariuszu, zmniejszenie mechanizmów zależnych od snu zminimalizowałoby zewnętrzną ważność wyników. Można zatem argumentować, że zastosowanie metody zintegrowanej jest bardziej odpowiednie i bardziej wykonalne w przypadku badań terenowych.

Bezpośrednie pomiary wydajności są bardzo istotne dla społeczeństwa, ale wydaje się, że bez uwzględnienia wielu czynników wpływających, zwłaszcza potrzeby grupowania osób według ich fenotypu okołodobowego i presji snu, w badaniach może brakować kluczowych wyników.

Jak wspomniano, PVT i KSS są szeroko stosowane w wielu dziedzinach badań. Prostota PVT i elastyczność w czasie trwania zadania sprawia, że jest to atrakcyjny test do wykorzystania w badaniach nad ograniczeniami okołodobowymi i snu, wymagającymi wielu testów i wykazano, że jest czułym markerem deprywacji snu 30,31. Chociaż dokładność testu i ogólny czas reakcji zwiększają się wraz z czasem trwania zadania, wszystkie zadania PVT trwające 2 minuty, 5 minut i 10 minut wykazują podobne zależności między porami dnia32.

Nasz projekt protokołu może być realizowany przy użyciu szeregu różnych zadań wydajnościowych i w razie potrzeby w częstszych punktach czasowych. Wcześniejsze badania wykazały wpływ pory dnia zarówno na wskaźniki wydajności fizycznej, jak i poznawczej, takie jak wydolność tlenowa15 i funkcje wykonawcze25. Wdrożenie tego protokołu i uwzględnienie różnic indywidualnych pozwoli lepiej zrozumieć, w jaki sposób badać mechanizmy przyczyniające się do wydajności, zwłaszcza w bardziej niszowych środowiskach, takich jak sporty elitarne. Podsumowując, protokół ten pozwala na rzeczywistą ocenę fenotypu okołodobowego i zapewnia wgląd w to, jak mierzyć wpływ pory dnia na wydajność.

Oświadczenia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

B.M. i D.J.S. są współdyrektorami Stockgrand Ltd. Autorzy deklarują brak innych konkurencyjnych interesów finansowych.

Podziękowania

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ta praca była wspierana przez fundusze Rady ds. Badań nad Biotechnologią i Naukami Biologicznymi (BBSRC, BB/J014532/1) oraz Rady ds. Badań Inżynieryjnych i Fizycznych (EPSRC, EP/J002909/1). E.R.F.C otrzymało stypendium akceleracyjne Wellcome Trust Institutional Strategic Support Fund (ISSF) Scheme (Wellcome 204846/Z/16/Z) oraz grant rządu australijskiego, Departament Przemysłu, Innowacji i Nauki (ICG000899/19/0602). Serdecznie dziękujemy wszystkim uczestnikom oraz firmie Stockgrand Ltd za odczynniki do testów.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Actiwatch LightCambridge Neurotech LtdW zależności od tego, co jest wymagane, można stosować różne zatwierdzone urządzenia aktygraficzne
Oprogramowanie do analizy snu 7Neurotech LtdW zależności od tego, co jest wymagane, można użyć różnych zweryfikowanych programów
ml plastikuużyć różnych probówek lub ślinek w zależności od tego, co jest wymagane
DQ67OW, procesor Intel Core i7-2600, 4 GB pamięci RAM, 32-bitowy system Windows 7W zależności od wymagań można używać różnych urządzeń
Cambridge 7 Można

Bibliografia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. de Souza, L., et al. Further Validation of Actigraphy for Sleep Studies. Sleep. 26 (1), 81-85 (2003).
  2. Kushida, C. A., et al. Comparison of actigraphic, polysomnographic, and subjective assessment of sleep parameters in sleep-disordered patients. Sleep Medicine. 2 (5), 389-396 (2001).
  3. Roenneberg, T., Wirz-Justice, A., Merrow, M. Life between clocks: daily temporal patterns of human chronotypes. Journal of Biological Rhythms. 18 (1), 80-90 (2003).
  4. Horne, J. A., Ostberg, O. A self-assessment questionnaire to determine morningness-eveningness in human circadian rhythms. International Journal of Chronobiology. 4 (2), 97-110 (1976).
  5. Brown, S. A., et al. Molecular insights into human daily behavior. Proceedings of the National Academy of Sciences. 105 (5), 1602-1607 (2008).
  6. Allebrandt, K., Roenneberg, T. The search for circadian clock components in humans: new perspectives for association studies. Brazilian Journal of Medical and Biological Research. 41 (8), 716-721 (2008).
  7. Lane, J. M., et al. Genome-wide association analysis identifies novel loci for chronotype in 100,420 individuals from the UK Biobank. Nature Communications. 7, 10889(2016).
  8. Gunn, P. J., Middleton, B., Davies, S. K., Revell, V. L., Skene, D. J. Sex differences in the circadian profiles of melatonin and cortisol in plasma and urine matrices under constant routine conditions. Chronobiology International. 33 (1), 39-50 (2016).
  9. Burgess, H. J., Fogg, L. F. Individual differences in the amount and timing of salivary melatonin secretion. PLoS One. 3 (8), e3055(2008).
  10. Voultsios, A., Kennaway, D. J., Dawson, D. Salivary melatonin as a circadian phase marker: validation and comparison to plasma melatonin. Journal of Biological Rhythms. 12 (5), 457-466 (1997).
  11. Bailey, S. L., Heitkemper, M. M. Circadian rhythmicity of cortisol and body temperature: morningness-eveningness effects. Chronobiology International. 18 (2), 249-261 (2001).
  12. Kudielka, B. M., Federenko, I. S., Hellhammer, D. H., Wüst, S. Morningness and eveningness: the free cortisol rise after awakening in "early birds" and "night owls". Biological psychology. 72 (2), 141-146 (2006).
  13. Baehr, E. K., Revelle, W., Eastman, C. I. Individual differences in the phase and amplitude of the human circadian temperature rhythm: with an emphasis on morningness-eveningness. Journal of sleep research. 9 (2), 117-127 (2000).
  14. Benloucif, S., et al. Measuring melatonin in humans. Journal of Clinical Sleep Medicine. 4 (1), 66-69 (2008).
  15. Blatter, K., Cajochen, C. Circadian rhythms in cognitive performance: Methodological constraints, protocols, theoretical underpinnings. Physiology & behavior. 90 (2-3), 196-208 (2007).
  16. Facer-Childs, E., Brandstaetter, R. The Impact of Circadian Phenotype and Time since Awakening on Diurnal Performance in Athletes. Current Biology. 25 (4), 518-522 (2015).
  17. Schmidt, C., et al. Circadian preference modulates the neural substrate of conflict processing across the day. PLoS One. 7 (1), e29658(2012).
  18. Hofstra, W. A., de Weerd, A. W. How to assess circadian rhythm in humans: a review of literature. Epilepsy & Behavior. 13 (3), 438-444 (2008).
  19. Van Someren, E. J. Improving actigraphic sleep estimates in insomnia and dementia: how many nights? Journal of sleep research. 16 (3), 269-275 (2007).
  20. Moreno, C., et al. Sleep patterns in Amazon rubber tappers with and without electric light at home. Scientific Reports. 5, 14074(2015).
  21. Dinges, D. F., Powell, J. W. Microcomputer analyses of performance on a portable, simple visual RT task during sustained operations. Behavior Research Methods, Instruments, & Computers. 17 (6), 652-655 (1985).
  22. Åkerstedt, T., Gillberg, M. Subjective and objective sleepiness in the active individual. International Journal of Neuroscience. 52 (1-2), 29-37 (1990).
  23. Facer-Childs, E. R., Campos, B. M., Middleton, B., Skene, D. J., Bagshaw, A. P. Circadian phenotype impacts the brain's resting-state functional connectivity, attentional performance, and sleepiness. Sleep. 42 (5), (2019).
  24. Benjamini, Y., Hochberg, Y. Controlling the false discovery rate: a practical and powerful approach to multiple testing. Journal of the royal statistical society. Series B (Methodological). , 289-300 (1995).
  25. Zee, P. C., et al. Strategic Opportunities in Sleep and Circadian Research: Report of the Joint Task Force of the Sleep Research Society and American Academy of Sleep Medicine. Sleep. 37 (2), 219-227 (2014).
  26. Facer-Childs, E. R., Boiling, S., Balanos, G. M. The effects of time of day and chronotype on cognitive and physical performance in healthy volunteers. Sports Medicine Open. 4 (1), 47(2018).
  27. Facer-Childs, E. R., Middleton, B., Skene, D. J., Bagshaw, A. P. Resetting the late timing of 'night owls' has a positive impact on mental health and performance. Sleep Medicine. , (2019).
  28. Moreno, C. R., et al. Sleep patterns in Amazon rubber tappers with and without electric light at home. Scientific Reports. 5, 14074(2015).
  29. Arendt, J., Middleton, B. Human seasonal and circadian studies in Antarctica (Halley, 75 degrees S)). General and Comparative Endocrinology. 258, 250-258 (2018).
  30. Basner, M., Dinges, D. F. Maximizing sensitivity of the psychomotor vigilance test (PVT) to sleep loss. Sleep. 34 (5), 581-591 (2011).
  31. Basner, M., Mollicone, D., Dinges, D. F. Validity and Sensitivity of a Brief Psychomotor Vigilance Test (PVT-B) to Total and Partial Sleep Deprivation. Acta Astronautica. 69 (11-12), 949-959 (2011).
  32. Loh, S., Lamond, N., Dorrian, J., Roach, G., Dawson, D. The validity of psychomotor vigilance tasks of less than 10-minute duration. Behaviour research methods instruments and computers. 36 (2), 339-346 (2004).

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Analiza aktygraficznaczas wyst pienia melatoniny w s abym wietleodpowied kortyzolowa po przebudzeniuMonachijski Kwestionariusz Chronotypupobieranie pr bek linywzorce aktywno ci i spoczynkuprowadzenie dzienniczka snurozcie czalny test immunoradiometryczny

Powiązane artykuły