Här presenterar vi en metod för att undersöka dygnsrytm i prestanda efter noggrann kategorisering av deltagare i dygnsrytmen fenotyp grupper baserat på München ChronoType Frågeformulär, guldstandard dygnsrytm fas biomarkörer och aktigrafiska åtgärder.
I vårt ständigt växande “dygnet runt”-samhälle finns det ett behov av att öka vår förståelse för hur förändringar i biologi, fysiologi och psykologi påverkar vår hälsa och prestation. Inbäddad i denna utmaning, är det ökande behovet av att ta hänsyn till individuella skillnader i sömn och dygnsrytm, samt att utforska effekterna av tid på dagen på prestanda i den verkliga världen. Det finns ett antal sätt att mäta sömn och dygnsrytm från subjektiva frågeformulärsbaserade metoder till objektiv sömn/väckningsövervakning, aktigrafi och analys av biologiska prover. Detta dokument föreslår ett protokoll som kombinerar flera tekniker för att kategorisera individer i tidiga, mellanliggande eller sen dygnsrytm fenotyp grupper (ECPs / ICPs / LCPs) och rekommenderar hur man utför dygnsprestanda testning i området. Representativa resultat visar stora skillnader i vila-aktivitet mönster som härrör från aktigrafi, dygnsrytm fas (svagt ljus melatonin debut och topptid av kortisol uppvaknande svar) mellan dygnsrytmen fenotyper. Dessutom betonar betydande skillnader i dygnsprestanda rytmer mellan ECPs och LCPs behovet av att redogöra för dygnsrytmen fenotyp. Sammanfattningsvis, trots svårigheterna att kontrollera påverka faktorer, tillåter detta protokoll en verklig bedömning av effekterna av dygnsrytmen fenotyp på prestanda. Detta dokument presenterar en enkel metod för att bedöma dygnsrytm fenotyp i området och stöder behovet av att överväga tid på dagen när man utformar prestationsstudier.
På beteendenivå kan bedömning av individuella vila/aktivitetsmönster göras med hjälp av subjektiva frågeformulärsbaserade metoder eller objektiv övervakning genom handledensaktigrafi. Actigraphic data har validerats mot polysomnografi (PSG) för olika sömn parametrar inklusive: total sömntid, sömneffektivitet och vakna efter sömn debut1. Även om PSG är känd som guldmyntfoten för att mäta sömn, är det svårt att använda under längre perioder utanför sömnlaboratoriet2. Därför är actigraphs avsedda att ge ett enkelt, mer kostnadseffektivt alternativ till PSG och möjliggöra övervakning av 24 h vila / aktivitet mönster. Subjektiva självrapporteringsåtgärder kan definiera ens “chronotype” med hjälp av München ChronoType Questionnaire (MCTQ)3, eller dygnspreferens med hjälp av Morningness-Eveningness Questionnaire (MEQ)4. Grupperna i vardera änden av detta spektrum kan kallas tidig dygnsrytm fenotyper (ECPs) och sen dygnsrytm fenotyper (LCPs) med dem däremellan som Intermediate dygnsrytm fenotyper (ICPs).
Även om ECPs och LCP är klart urskiljbara genom sitt beteende (dvs. sömn / vakna mönster), dessa individuella skillnader är också delvis drivs av variationer ifysiologi 5 och genetisk predisposition6,7. Fysiologiska biomarkörer används ofta för att bestämma dygnsrytmen fas / timing av en individ. Två av de viktigaste hormonerna tyder på dygnsrytm timing är melatonin, som stiger på kvällen för att nå en topp mitt i natten, och kortisol, som toppar på morgonen8. Med hjälp av dessa dygnsrytmfasmarkörer kan individuella skillnader i sömn-vakna mönster identifieras. Till exempel, svagt ljus melatonin debut (DLMO)9,10 och tiden för kortisol uppvaknande svar11,12 topp tidigare i ECPs, som speglas av dygnsrytmen av kroppstemperaturen13. Saliv möjliggör enkel, säker och noninvasive samling från vilken dessa hormoner kan analyseras genom radioimmunoassay (RIA) eller enzym-linked immunsorbent analys (ELISA) utan att behöva extrahera något cellulärt material. RIA och ELISA är känsliga och specifika analyser som detekterar koncentrationer av antigener i biologiska prover (t.ex. blod, plasma eller saliv), genom antigenantikroppsreaktioner som involverar radiomärkta isotoper (t.ex. jod (125I) eller enzymrelaterade antikroppar14).
Strängt kontrollerade laboratorieprotokoll såsom konstant rutin (CR) och påtvingad desynkron (FD) är guldmyntfoten inom chronobiology för att studera endogen dygnsrytm15. Det finns dock ett ökande behov av att studera individer i deras hemmiljö utanför artificiella laboratoriemiljöer för att samla in kontextuella data och öka resultatens externa giltighet. Därför behöver vi bättre sätt att kategorisera, mäta och bedöma individuella skillnader i området. Dessutom har dygnsvariationer i olika mått på fysisk (aerob kapacitet, muskelstyrka) och kognitiv (reaktionstid, ihållande uppmärksamhet, verkställande funktion) prestanda upptäckts med ECP presterar bättre tidigare på dagen ochLCP på kvällen16,17. Detta betonar att tid på dagen och dygnsrytm fenotyp bör vara faktorer som beaktas när de utför prestandatester i forskningsstudier.
Antalet olika åtgärder och protokoll som används i laboratoriestudier gör det möjligt att genomföra mycket kontrollerade förhållanden. Fältstudier tenderar att vara mer utmanande på grund av antalet påverkande faktorer. Därför, med hjälp av en mer holistisk strategi genom att kombinera flera tekniker kan ge mer noggrannhet när du övervakar en individs beteende, psykologi och prestanda i sin hemmiljö18. Här diskuterar vi en metod som enkelt kan implementeras inom området för att identifiera individuella skillnader i dygnsrytmfenotyper med hjälp av MCTQ, aktigrafi och fysiologiska biomarkörer. Vi tställa hypotesen att dessa variabler kommer att skilja sig avsevärt mellan dygnsrytmen fenotyp grupper och kommer att vara betydligt korrelerade med chronotype (= korrigeras mitten av sömnen på lediga dagar (MSFsc) som samlats in från MCTQ). Dessutom föreslår vi sätt att mäta dygnsprestanda, belyser behovet av att analysera data separat för varje dygnsrytm fenotyp grupp. Vi hypotesen att skillnader i dygnsprestanda rytmer kommer att skymmas om data endast analyseras på hela befolkningsnivå.
På grund av den komplexa interaktionen mellan dygnsrytm- och sömnberoende påverkan på beteende, är det en utmaning att utforska de relativa bidragen från var och en. Laboratoriebaserade protokoll är i stort sett orealistiska och dyrare, vilket håller sämre extern giltighet när det gäller resultat till vardagliga funktion25. Därför finns det ett ökande behov av att studera individer i deras hemmiljö för att främja generaliserbarhet till verkliga sammanhang. Även om fältstudier inte tillåter kontroll av exogena influenser, kan ett integrerat tillvägagångssätt bidra till att belysa hur både biologiska och miljömässiga faktorer påverkar hälsa, fysiologi och prestanda23,,26,27. Detta protokoll har utformats speciellt för att kunna övervaka individer i deras hemmiljö samtidigt som de följer deras vanliga rutiner. Dessa saliv provtagning protokoll har framgångsrikt genomförts i utmanande inställningar som Amazon28 och Antarktis29 stödja enkel att genomföra detta protokoll.
Frågeformulär är ett användbart verktyg i sömn och dygnsrytm studier eftersom de möjliggör ett snabbt och enkelt sätt att samla in ett brett utbud av information. Skillnader mellan subjektiva och objektiva åtgärder kan dock skapa svårigheter när man försöker studera individuella skillnader. Därför kan samla in flera subjektiva och objektiva åtgärder stärka kategorisering av dygnsrytm fenotyp grupper. Denna kombination av metoder – MCTQ, aktigrafi, fysiologisk provtagning och prestandatestning – har belyst hur resultaten kan misstolkas om individuella skillnader i dygnsrytmfenotyper inte beaktas. Att mäta alla dessa variabler ger den mest tillförlitliga kategorisering av dygnsrytmen fenotyp grupper, men det finns potential för att utveckla metoden ytterligare för att möjliggöra färre krav. Till exempel, även om tillförlitligheten återstår att undersöka, för att minska kostnaderna, kan forskarna ta bort kortisolprovtagningssteget eller använda ett annat frågeformulär. Det skulle dock vara värt att notera att eftersom DLMO är en aktuell guldstandardmarkör för dygnsrytmtiming och aktigrafi är en standardmetod för övervakning av rest-/aktivitetsmönster, skulle detta vara viktiga variabler som ska ingå i bedömningarna.
Schemaläggning av prestandatester baserat på klocktider i stället för att basera tidsinställningar i förhållande till individen (intern biologisk tid) ökar genomförbarheten och gör att protokollet kan tillämpas i verkliga inställningar. En begränsning av denna design är dock oförmågan att bestämma påverkan av dygnsrytmen systemet vs homeostatiska influenser. Detta blir en utmaning eftersom det inte finns något sätt att bekräfta specifika mekanismer som bidrar till resultaten. Men eftersom syftet med detta protokoll är att undersöka dessa grupper i ett verkligt scenario, minska sömnberoende mekanismer skulle minimera den externa giltigheten av resultaten. Man skulle därför kunna hävda att det är mer tillämpligt och genomförbart att använda en integrerad metod för fältstudier.
Direkta mått på prestanda är mycket relevanta för samhället, men det verkar som utan att ta hänsyn till de många påverkande faktorer, särskilt behovet av att gruppera individer enligt deras dygnsrytm fenotyp och sömntryck, studier kan saknas viktiga resultat.
Som diskuterats, PVT och KSS har använts i stor utsträckning inom många forskningsområden. Enkelheten i PVT och flexibilitet i uppgiften varaktighet gör det ett attraktivt test att använda i dygnsrytm och sömn begränsning studier som kräver flera testtider, och har visat sig vara en känslig markör för sömnbrist30,31. Även om testnoggrannheten och de totala reaktionstiderna ökar med uppgiftslängden, visar 2 min-, 5- och 10 min PVT-uppgifterna liknande tid på dagenrelationer 32.
Vår protokolldesign kan implementeras med hjälp av en rad olika prestandauppgifter och vid mer frekventa tidpunkter om det behövs. Tidigare studier har visat tid på dagen effekter i både fysiska och kognitiva prestanda mått såsom aerob kapacitet15 och verkställande funktion25. Genomföra detta protokoll och redovisning av individuella skillnader kommer att öka förståelsen för hur man studerar de mekanismer som bidrar till prestanda, särskilt i mer nischade miljöer såsom elitidrott. Sammanfattningsvis tillåter detta protokoll en verklig bedömning av dygnsrytmen fenotyp och ger en inblick i hur man mäter effekterna av tid på dagen på prestanda.
The authors have nothing to disclose.
Detta arbete stöddes av finansiering från Biotechnology and Biological Sciences Research Council (BBSRC, BB/J014532/1) och Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC, EP/J002909/1). E.R.F.C fick stöd av en Accelerator för Wellcome Trust Institutional Strategic Support Fund (ISSF) Scheme accelerator fellowship (Wellcome 204846/Z/16/Z) och en australisk regering, Department of Industry, Innovation and Science grant (ICG000899/19/0602). Vårt uppriktiga tack är till alla deltagare och Stockgrand Ltd för analys reagenser.
Actiwatch Light | Cambridge Neurotech Ltd | Various different validated actigraph devices can be used depending on what is required | |
Sleep Analysis 7 Software | Cambridge Neurotech Ltd | Various different validated software can be used depending on what is required | |
7 ml plastic bijous | Various different tubes or salivettes can be used depending on what is required | ||
DQ67OW, Intel Core i7-2600 processor, 4GB RAM, 32-bit Windows 7 | Various different devices can be used depending on what is required |