Summary
Hier presenteren we een methode om dagritmes in prestaties te onderzoeken na nauwkeurige categorisering van deelnemers in circadiane fenotypegroepen op basis van de München ChronoType Questionnaire, gouden standaard circadiane fase biomarkers en actigrafische metingen.
Abstract
In onze continu ontwikkelende '24-uurs' samenleving is het nodig om meer inzicht te krijgen in hoe veranderingen in biologie, fysiologie en psychologie onze gezondheid en prestaties beïnvloeden. Ingebed in deze uitdaging, is de toenemende behoefte om rekening te houden met individuele verschillen in slaap en circadiane ritmes, evenals om de impact van het tijdstip van de dag op de prestaties in de echte wereld te verkennen. Er zijn een aantal manieren om slaap en circadiane ritmes te meten van subjectieve methoden op basis van vragenlijsten tot objectieve slaap/waakbewaking, actigrafie en analyse van biologische monsters. Dit document stelt een protocol voor dat meerdere technieken combineert om individuen te categoriseren in vroege, intermediaire of late circadiane fenotypegroepen (Ecps/ICPs/LcPs) en beveelt aan hoe u dagelijkse prestatietests in het veld uitvoeren. Representatieve resultaten tonen grote verschillen in rust-activiteit patronen afgeleid van actigraphy, circadiane fase (dim licht melatonine begin en piektijd van cortisol ontwaken reactie) tussen circadiane fenotypes. Bovendien benadrukken aanzienlijke verschillen in dagritmes tussen Ecps en LOF de noodzaak om rekening te houden met circadiane fenotype. Samengevat, ondanks de moeilijkheden bij het beheersen van beïnvloedende factoren, maakt dit protocol een real-world beoordeling van de impact van circadiane fenotype op de prestaties mogelijk. Dit document presenteert een eenvoudige methode om circadiane fenotype in het veld te beoordelen en ondersteunt de noodzaak om rekening te houden met het tijdstip van de dag bij het ontwerpen van prestatiestudies.
Introduction
Op gedragsniveau kan het beoordelen van individuele rust/activiteitspatronen worden gedaan met behulp van subjectieve op vragenlijsten gebaseerde methoden of objectieve monitoring door middel van polsactiviteit. Actigrafische gegevens zijn gevalideerd tegen polysomnografie (PSG) voor verschillende slaapparameters, waaronder: totale slaaptijd, slaapefficiëntie en wake after sleep onset1. Hoewel PSG bekend staat als de gouden standaard voor het meten van slaap, is het een uitdaging om te gebruiken voor langere periodes buiten het slaaplaboratorium2. Daarom zijn actigraphs bedoeld om een eenvoudig, kosteneffectiever alternatief voor PSG te bieden en het mogelijk te maken om 24 uur rust/activiteitspatroon te monitoren. Subjectieve zelfrapportagemaatregelen kunnen iemands 'chronotype' definiëren aan de hand van de Munich ChronoType Questionnaire (MCTQ)3, of dagelijkse voorkeur aan de hand van de Morningness-Eveningness Questionnaire (MEQ)4. De groepen aan weerszijden van dit spectrum kunnen worden aangeduid als Vroege circadiane fenotypes (Ecps) en Late circadiane fenotypes (LOF) met die ertussen als Intermediaire circadiane fenotypes (ICP's).
Hoewel Ecps en LFP's duidelijk te onderscheiden zijn door hun gedrag (d.w.z. slaap/waakpatronen), worden deze individuele verschillen ook deels gedreven door variaties in fysiologie5 en genetische aanleg6,7. Fysiologische biomarkers worden vaak gebruikt om de circadiane fase / timing van een individu te bepalen. Twee van de belangrijkste hormonen indicatief voor circadiane timing zijn melatonine, die stijgt in de avond om een piek te bereiken in het midden van de nacht, en cortisol, die pieken in de ochtend8. Met behulp van deze circadiane fase markers, individuele verschillen in slaap-waak patronen zijn in staat om te worden geïdentificeerd. Bijvoorbeeld, dim licht melatonine begin (DLMO)9,10 en de tijd van cortisol ontwaken reactie11,12 piek eerder in ECPs, die wordt gespiegeld door de circadiane ritme van de kern lichaamstemperatuur13. Speeksel maakt een eenvoudige, veilige en niet-invasieve verzameling mogelijk waaruit deze hormonen kunnen worden geanalyseerd door radioimmunoassay (RIA) of enzymgebonden immunosorbent-test (ELISA) zonder dat u cellulair materiaal hoeft te extraheren. RIA en ELISA zijn gevoelige en specifieke tests die concentraties van antigenen in biologische monsters detecteren (bijvoorbeeld bloed, plasma of speeksel), door antigeen-antilichaamreacties met radioactieve isotopen (bijvoorbeeld jodium (125I) of enzymgerelateerde antilichamen14).
Strikt gecontroleerde laboratoriumprotocollen zoals constante routine (CR) en gedwongen desynchronie (FD) zijn de gouden standaard op het gebied van chronobiologie om endogene circadiane ritmes te bestuderen15. Er is echter een toenemende behoefte om individuen in hun thuisomgeving te bestuderen buiten kunstmatige laboratoriuminstellingen om contextuele gegevens te verzamelen en de externe geldigheid van resultaten te verhogen. Daarom hebben we betere manieren nodig om individuele verschillen in het veld te categoriseren, te meten en te beoordelen. Bovendien zijn dagvariaties in verschillende maten van fysieke (aërobe capaciteit, spierkracht) en cognitieve (reactietijd, aanhoudende aandacht, uitvoerende functie) prestaties aan het licht gebracht met ECPs die eerder op de dag beter presteerden en LcPs in de avond16,17. Dit benadrukt dat het tijdstip van de dag en circadiane fenotype moet factoren die worden beschouwd bij het uitvoeren van prestatietests in onderzoeken.
Het aantal verschillende maatregelen en protocollen dat in laboratoriumstudies wordt gebruikt, maakt het mogelijk zeer gecontroleerde omstandigheden uit te voeren. Veldstudies zijn meestal uitdagender vanwege het aantal beïnvloedende factoren. Daarom kan het gebruik van een meer holistische benadering door het combineren van meerdere technieken meer nauwkeurigheid bieden bij het monitoren van het gedrag, de psychologie en de prestaties van een individu in zijn thuisomgeving18. Hier bespreken we een methode die gemakkelijk kan worden geïmplementeerd in het veld om individuele verschillen in circadiane fenotypes te identificeren met behulp van de MCTQ, actigrafie en fysiologische biomarkers. We veronderstellen dat deze variabelen aanzienlijk zullen verschillen tussen circadiane fenotypegroepen en aanzienlijk gecorreleerd zullen zijn met chronotype (= gecorrigeerde mid-sleep op vrije dagen (Msfsc)verzameld van de MCTQ). Bovendien stellen we manieren voor om dagprestaties te meten, waarbij de noodzaak wordt benadrukt om gegevens afzonderlijk te analyseren voor elke circadiane fenotypegroep. We veronderstellen dat verschillen in dagelijkse prestatieritmes zullen worden verduisterd als gegevens alleen worden geanalyseerd op het hele bevolkingsniveau.
Protocol
Alle hier beschreven methoden zijn goedgekeurd door de University of Birmingham Research Ethics Committee.
1. Deelnemersscreening en experimenteel ontwerp
- Voer alle methoden uit na de juiste ethische goedkeuringen, in overeenstemming met de Verklaring van Helsinki en krijg schriftelijke geïnformeerde toestemming van alle deelnemers voordat zij betrokken waren.
- Rekruteer deelnemers zonder voorafgaande diagnoses van slaap,neurologische of psychiatrische stoornissen, en zonder medicijnen die de slaap, melatonine of cortisol ritmes beïnvloeden.
- Zorg ervoor dat er geen deelnemers zijn ploegenarbeiders, deelnemers hebben niet meer dan twee tijdzones gereisd in de afgelopen maand en ze zijn vrij om deel te nemen aan de studie (dat wil zeggen, in staat om zich te committeren aan het dragen van de actiwatch, speekselmonsters te geven op een 'vrije dag' en aanwezig te zijn voor prestatietests op specifieke tijdstippen (zie paragraaf 2.1)).
- Nodig deelnemers die aan inclusiecriteria voldoen uit om een eerste afspraak bij te wonen om toestemming te krijgen, vragenlijstgegevens te verzamelen, thuis speekselmonsters te verzamelen en te worden ingesteld met een actigrafisch apparaat en slaapdagboek. Maak tijdens deze bijeenkomst de deelnemers vertrouwd met de fysiologische bemonsteringsprotocollen om ervoor te zorgen dat ze begrijpen wat er nodig is (zie paragraaf 3).
- Vraag de deelnemers om de München ChronoType Questionnaire (MCTQ) in te vullen, waarin individuele verschillen in slaap-/waakvariabelen en lichtblootstelling op het werk en vrije dagen3 wordenbeoordeeld. Dit maakt de berekening van gecorrigeerde mid-slaaptijden op vrije dagen (Msfsc),gebruikt als een marker van chronotype.
2. Actigrafie en slaapdagboeken
- Gedurende ten minste twee weken19 (kan langer duren, afhankelijk van de onderzoeksdoelstellingen), vraag de deelnemers om een polsactiviteitsmonitor of 'actigraph' te dragen, om rust-/activiteitspatronen te verzamelen en lichtgegevens (1-32.000 lux) gedurende de hele studieperiode.
- Geef elke deelnemer details over het gebruik van de activiteiten, inclusief het verwijderen voor het baden /douchen (zo niet waterdicht) en het voorkomen van mouwen die ze bedekken, zodat lichtgegevens kunnen worden verzameld. Zorg ervoor dat actigraphs worden gedragen op de niet-dominante pols.
- In combinatie met actigrafie en om slaap/waak analyse afgeleid van de actigrafische gegevens te vergemakkelijken, geef elke deelnemer een slaapdagboek om op een dagelijkse basis in te vullen. Zorg ervoor dat vragen onder meer bedtijden, slaaptijden, 's nachts ontwaken, wakker worden tijden, slaapkwaliteit, dutjes en tijden waarop actigraphs werden verwijderd.
- Verzamel activiteitengegevens voor rust-/activiteitsanalyse die de parameters op basis van wat nodig is (deze studie gebruikte een 30Hz-bemonsteringsfrequentie en gemiddelde gevoeligheidsinstelling). Haal details van de dagelijkse bedtijd en opstaan tijden uit slaapdagboeken en input naar de software van de fabrikant of alternatief (bijvoorbeeld open source gevalideerde code om actigrafische variabelen die relevant zijn voor de studie te verkrijgen).
3. Fysiologische bemonstering
- Voorbereiden van bemonsteringsverpakkingen door het etiketteren van polypropyleeninzamelbuizen of salivettes (gebruik 7 mL plastic bijous in deze studie). Label de buizen met deelnemer ID-nummer, 's ochtends of 's avonds en individuele bemonsteringnummers. Voeg een 'reserve' buis toe om te gebruiken in geval van fouten.
- Maak een monster collectie record sheet voor zowel 's ochtends en 's avonds protocollen om de deelnemers te tijd stempel wanneer monsters worden genomen (bijvoorbeeld, Morning Sample 1, Time genomen = hh:mm, Morning Sample 2, Tijd genomen = hh:mm). Vermeld het identiteitsbewijs van de deelnemer, datum voor seizoensinformatie en locatie voor het berekenen van de fotoperiode.
OPMERKING: Het is van cruciaal belang dat militaire tijd wordt gebruikt om ervoor te zorgen dat er geen problemen zijn met AM / PM. Verschillende gekleurde labels voor 's ochtends versus 's avonds bemonstering buizen kunnen ook worden gebruikt om onderscheid te maken tussen monsters. - Geef de deelnemers de relevante protocollen voor fysiologische bemonstering en vooraf gemaakte verpakkingen tijdens de training van het nemen van speekselmonsters in hun thuis/werkomgeving.
- Informeer de deelnemer dat de monsters moeten worden verzameld op een vrije dag waarop de deelnemers in staat zijn om naar bed te gaan en wakker worden op de gewenste tijden (dat wil zeggen, zonder de noodzaak van een alarm). Om een betrouwbare berekening van DLMO te garanderen, mogen deelnemers de dag voor de prestatietest niet het protocol voor speekselbemonstering in de avond uitvoeren vanwege de noodzaak om wakker te blijven na het gewone bedtijd.
- Vraag de deelnemers om een ochtend en een avond (op dezelfde dag) toe te wijzen tijdens week twee van het onderzoek wanneer ze zich kunnen committeren aan het geven van de speekselmonsters. Raad de deelnemers aan om ochtendmonsters te verzamelen, gevolgd door avondmonsters op dezelfde dag.
OPMERKING: De volgorde van de bemonstering ('s ochtends dan 's avonds) moet worden gevolgd om ervoor te zorgen dat eventuele veranderingen in de slaaptiming geen invloed hebben op de resultaten (als 's avonds monsters worden genomen die eerst wakker moeten blijven na het gewone bedtijd, kan dit de ochtendmonsters beïnvloeden als deze de volgende dag worden genomen). - Morning sampling protocol voor cortisol ontwaken reactie
- Zorg ervoor dat speekselmonsters worden verzameld op het punt van de eerste wake-up (terwijl nog in bed), elke 15 min voor het eerste uur en vervolgens om de 30 min voor de komende 1 tot 2 uur. Verzamel speekselmonsters door spugen in de juiste gelabelde flacon (te beginnen met nr. 1, 2, 3, enz.).
- Zorg er tijdens deze periode voor dat de deelnemers zich onthouden van alcoholische dranken, dranken die kunstmatige kleurstoffen bevatten en voedsel bevatten voor de testperiode en zich tijdens de bemonsteringsperiode onthouden van het reinigen van tanden, met of zonder tandpasta.
- Zorg ervoor dat de deelnemers hun monsters in hun vriezer bewaren bij -20 °C tot de inzameling door het onderzoeksteam.
OPMERKING: Het is het beste om de monsters bevroren op te slaan indien mogelijk, maar ze blijven levensvatbaar als ze in de koelkast worden opgeslagen tot de volgende dag worden opgehaald. Op grond van de Human Tissue Act (HTA) 2004 moeten monsters worden verzameld en verwerkt binnen zeven dagen na het verzamelen om ze acellulair te maken, tenzij een HTA-licentie in het bezit is van de instelling die de analyse uitvoert.
- Avond bemonstering protocol voor dim licht melatonine begin
- Zorg ervoor dat speekselmonsters worden verzameld om de 30 minuten van 3 tot 4 uur voor het gewone bedtijd tot 1 tot 2 uur na het gewone bedtijd (bijvoorbeeld als de gebruikelijke bedtijd 22:00 uur is, zou de deelnemer beginnen om 18:00/19:00 uur tot 23:00/00 uur). Verzamel speekselmonsters door in het juiste gelabelde flesje te spugen (te beginnen met nummer 1 dan 2, 3, enz.).
- Zorg er gedurende deze periode voor dat deelnemers zich onthouden van cafeïnehoudende dranken (bijvoorbeeld thee, koffie, coca-cola) vanaf 6 uur voor het gewone bedtijd (bijvoorbeeld als het gewone bedtijd 22:00 uur is, moet de cafeïneconsumptie stoppen om 16:00 uur op de dag van de inzameling).
- Zorg ervoor dat de deelnemers binnen blijven zitten bij schemerig licht (< 10 lux, bijvoorbeeld een enkele tafellamp bij voorkeur rood licht, aan de andere kant van de kamer, geen overheadverlichting, geen elektronische schermen, gordijnen dicht). Zorg ervoor dat de deelnemers tijdens de bemonsteringsperiode geen alcohol of kunstmatige kleurstoffen drinken en zich onthouden van het reinigen van tanden, met of zonder tandpasta.
- Als de deelnemers iets willen eten, naar het toilet gaan of een niet-cafeïnevrije drank willen maken, zorg er dan voor dat ze dit onmiddellijk na het ophalen van een monster doen en probeer opnieuw 15 minuten te zitten voordat het volgende monster moet worden verzameld. Als er voedsel wordt geconsumeerd tussen de monsters, zorg er dan voor dat de deelnemers hun mond 15 minuten voor het verzamelen van het volgende monster met water wassen.
- Zorg ervoor dat alle andere ruimten dezelfde lichtomstandigheden hebben, zodat de deelnemer gedurende de bemonsteringsperiode in dim licht (bij voorkeur rood licht) blijft.
- Zorg ervoor dat de deelnemers hun monsters in hun vriezer bewaren bij -20 °C tot de inzameling door het onderzoeksteam.
OPMERKING: Het is van cruciaal belang dat deelnemers zich houden aan het protocol voor dimlicht. Waar mogelijk moeten onderzoekers de lichtomstandigheden meten om de intensiteit en spectrale samenstelling te monitoren.
4. Radioimmunoassay
- Voer RIA of ELISA van melatonine en cortisol in menselijk speeksel om relatieve concentraties te bepalen op elk moment punt.
OPMERKING: De procedure in deze representatieve resultaten gebruikt RIA met een jodium (125I) radioactief geëtiketteerd tracer en vaste fase scheiding. Dit protocol wordt routinematig gebruikt in het Chronobiology Laboratory, University of Surrey, UK20. - Bereken individuele DLMOs als het tijdstip waarop de melatonineconcentratie twee standaarddeviaties van de drie basismetingen overschrijdt (de eerste drie monsters).
OPMERKING: Deze methode past zich aan voor individuele basislijnverschillen in vergelijking met het gebruik van een forfaitaire concentratie14. Andere methoden kunnen worden gebruikt, afhankelijk van de tijdspunten die in de bemonstering worden gebruikt (bijvoorbeeld over een periode van 24 uur voor een volledig profiel14). - Bereken de cortisol piek als de tijd van de hoogste cortisol concentratie geregistreerd tijdens de ochtend cortisol ontwaken reactie.
5. Dagdagelijkse prestatietests
OPMERKING: De maatregelen die in dit protocol werden gebruikt zijn de Psychomotor Vigilance Task (PVT)21, en de Karolinska Sleepiness Scale (KSS)22. Echter, andere tests kunnen worden gebruikt houden van hetzelfde ontwerp, afhankelijk van het doel van de studie (bijvoorbeeld, als de studie was het onderzoek naar de impact van circadiane fenotype op het werkgeheugen, een geheugen taak nodig zou zijn).
- Vraag de deelnemers om ten minste één (afhankelijk van de taak) oefenproef uit te voeren in de week voorafgaand aan het testen om vertrouwd te raken met de set-up.
OPMERKING: Oefenproeven kunnen op afstand worden uitgevoerd als ze worden gecontroleerd. Het aantal praktijktests moet worden afgestemd op basis van de taak(en) die in het onderzoek worden gebruikt. Een complexere uitvoerende functietaak kan bijvoorbeeld een aantal praktijktests vereisen om een plateau te bereiken in vergelijking met een eenvoudigere taak. - Organiseer testsessies op basis van de studiehypothesen op basis van het aantal tijdstippen dat op specifieke kloktijden wordt onderzocht.
LET OP: Afhankelijk van het ontwerp van de studie kunnen prestatietests thuis of in het laboratorium worden uitgevoerd. Vanwege de tijdsgevoelige aard van het protocol, als prestatietests worden uitgevoerd in de thuisomgeving, moet de naleving worden gecontroleerd om ervoor te zorgen dat de deelnemers het zelf uitvoeren, evenals het feit dat tijd en datum stempel. - Uitvoeren van testen op een relevant apparaat (deze studie gebruikt een DQ67OW, i7-2600 processor, 4GB RAM, 32-bits desktop met een standaard toetsenbord en muis).
OPMERKING: Als een laptop, iPad of ander apparaat nodig is voor het testen, zorg er dan voor dat hetzelfde apparaat en dezelfde instellingen tijdens het onderzoek worden gebruikt voor alle deelnemers en elke testsessie vanwege mogelijke variabiliteit in de reacties van een muis versus trackpad versus touchscreen.
6. Analyse
- Categoriseer circadiane fenotypegroepen op basis van hun waarde voor de vijf verzamelde variabelen: Msfsc, wake up time, piektijd van cortisol ontwaken respons, DLMO en slaap begin (cut offs worden gegeven in tabel 1).
- Wijs een score per variabele toe voor elke deelnemer. Een variabele wordt toegewezen 0 als deze in de ECP-categorie valt, 1 als deze in de ICP-categorie valt en 2 als deze in de LCP-categorie valt. Als een deelnemer bijvoorbeeld deel uitmaakt van de LCP-categorie voor alle variabelen, verzamelt hij een score van 10. Uit een totale score van 0-10 identificeren deelnemers als ECPs (0-3), ISP's (4-6) en LCPs (7-10).
- Uit de totale score kunnen subcategorieën van circadiane fenotypes als volgt worden bepaald: 0 = extreme ECP, 1 = duidelijke ECP, 2 = matige ECP, 3 = milde ECP, 4 = vroege ICP, 5 = ICP, 6 = late ICP, 7 = milde LCP, 8 = matige LCP, 9 = definitief.
OPMERKING: Statistische analyse moet worden bepaald op basis van de onderzoeksvragen voor individuele studies. Niet-parametrische tests moeten worden gebruikt wanneer gegevens geen normale verdeling volgen. Post hoc tests moeten worden uitgevoerd om het tijdstip van de dag effecten te bepalen. Bij het meten van een aantal parameters moeten verdere correcties van meerdere vergelijkingen worden uitgevoerd (bijvoorbeeld FDR-correctie van p-waarden).
Representative Results
Deze resultaten in Ecps en LCPs zijn eerder gepubliceerd door Facer-Childs, Campos, et al.23. Alle machtigingen zijn verkregen van de uitgever. Voor studies die een onderzoek van alle drie de groepen vereisen (vroeg, intermediair en laat), kunnen dezelfde methoden en cut offs worden gebruikt.
Circadiane Fenotypering (tabel 1, tabel 2 en figuur 1)
De eerste hypothese gepresenteerd in dit document is dat de groepen aanzienlijk zou verschillen in slaap en circadiane variabelen. Van de deelnemers (n = 22) die aan deze studie deelnamen, hadden degenen die werden gecategoriseerd als Ecps een score tussen 0-1 en alle LCPs tussen 8-10 (afgesneden in tabel 1). Om deze resultaten te bevestigen, werden groepsgemiddelden voor elke variabele vergeleken. Msfsc was 02:24 ± 00:10 uur voor EcPs in vergelijking met 06:52 ± 00:17 uur in LcPs (t(36) = 12,2, p < 0,0001). Fysiologische markers verschilden ook aanzienlijk tussen de twee groepen. DLMO vond plaats om 20:27 ± 00:16 uur in ECPs en om 23:55 ± 00:26 uur in LCPS (t(30) = 6,8, p < 0,0001). Piektijd van de cortisol ontwaken reactie vond plaats op 07:04 ± 00:16 uur in ECPs en 11:13 ± 00:23 uur in LCPs (t(36) = 8,0, p < 0,0001). Dezelfde relaties werden waargenomen met actigrafische variabelen voor het begin van de slaap en wake-up timings met een gemiddelde slaap begin die zich voordeed op 22:57 ± 00:10 uur in ECPs en 02:27 ± 00:19 h in LCPs (t(34) = 8,9, p < 0,0001) en de wake-uptijd die zich voordoet om 06:33 ± 0,10 uur in ECPs en 10:13 ± 00:18 uur in LcPs (t(34) = 9,9, p < 0,0001). Andere slaapvariabelen, waaronder duur, efficiëntie en latentie, verschilden niet significant tussen de groepen(tabel 2).
De tweede hypothese is dat Artsen zonder Grenzensc verzameld uit de MCTQ aanzienlijk zou worden gecorreleerd met de gouden standaard actigrafische en circadiane fase biomarkers. Figuur 1 toont aan dat Artsen zonder Grenzensignificant gecorreleerd was met DLMO (R2 = 0,65, p < 0,0001), piektijd van cortisol-ontwakenrespons (R2 = 0,75, p < 0,0001), slaapbegin (R2 = 0,80, p < 0,0001) en wake-uptijd (R2 = 0,86, p < 0,0001).
Deze representatieve resultaten tonen aan dat de verschillende circadiane fenotypegroepen duidelijke verschillen hebben in slaapbegin/offset (d.w.z. wake-uptijd), evenals in fysiologische variabelen (DLMO en piektijd van ochtendcortisol).
Dagonderzoek (figuur 2)
Er werd verondersteld dat door het testen van meerdere keren in de loop van de dag, dagritmes in subjectieve slaperigheid en prestaties in staat zou zijn om te worden geïdentificeerd in elke groep (Ecps / LcPs). Bovendien werd verondersteld dat als circadiane fenotypes niet werden overwogen en gegevens alleen op een heel groepsniveau werden geanalyseerd, dagelijkse variaties verkeerd zouden worden voorgesteld.
Op het gehele groepsniveau voor de PVT en KSS werden belangrijke dagvariaties gevonden. PVT prestaties op de 08:00 uur testsessie was aanzienlijk langzamer dan de 14:00 uur test (p = 0,027), net als subjectieve slaperigheid(p = 0,024). Aanzienlijk langzamer pvt prestaties werd ook gevonden tussen 08:00 uur en 20:00 uur (p = 0,041).
Toen elke groep afzonderlijk werd geanalyseerd, werden significante dagelijkse variaties in PVT-prestaties gevonden in LcPs, maar niet in EcPs. LcPs waren aanzienlijk slechter om 08:00 uur in vergelijking met 14:00 uur (p = 0,0079) en beter om 20:00 uur in vergelijking met 08:00 uur (p = 0,0006). Subjectieve slaperigheid toonde significante dagelijkse variaties binnen elke groep. ESP's rapporteerden een hogere slaperigheid om 20:00 uur in vergelijking met 08:00 uur (p = 0,0054). Het tegenovergestelde werd waargenomen in LCPs die de hoogste slaperigheid gemeld om 08:00 uur en laagste om 20:00 uur. Slaperigheid om 08:00 uur was aanzienlijk hoger dan 14:00 uur en 20:00 uur in LCPs (beide p < 0,0001).
Figuur 1: Lineaire regressieanalyse om relaties tussen slaap-/waakvariabelen aan te tonen met behulp van actigrafie en fysiologische biomarkers. Gecorrigeerde mid-slaap op vrije dagen (Msfsc)wordt weergegeven als tijdstip van de dag (h) op de x-as. Vroege circadiane fenotypes (Ecps) worden weergegeven in de blauwe doos, Late circadiane fenotypes (LFP's) in de rode doos. (a) Piektijd van cortisol ontwaken reactie (h), (b) Wake up time (h), (c) Dim licht melatonine begin (DLMO) (h),d) Slaap begintijd (h). R2-waarde wordt weergegeven in de rechterbenedenhoek met significantieniveau dat wordt weergegeven op **** = p < 0,0001. Dit cijfer is gewijzigd, met toestemming, van Facer-Childs, et al.23. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 2: Diurnal variaties krommen in Karolinska Slaperigheid Schaal en Psychomotor Vigilance Task (PVT) prestaties. Het tijdstip van de dag (h) wordt weergegeven op de x-as. Hele groepsresultaten worden weergegeven in de eerste kolom, Vroege circadiane fenotypes (Ecps) in de tweede kolom en Late circadiane fenotypes (LcPs) in de derde kolom. (a) Subjectieve slaperigheid (KSS) score,b) Reactietijd van PVT (s). Tweede orde polynomial niet-lineaire regressie krommen zijn gemonteerd. Significantieniveau wordt weergegeven als NS (niet significant), * (p < 0,05), ** (p < 0,01), *** (p < 0,001) en **** (p < 0,0001). Dit cijfer is gewijzigd, met toestemming, van Facer-Childs, et al.23. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
| Variabele gemeten | ECP-categorie | ICP-categorie | LCP-categorie |
| Actigrafische wake-up tijd | < 07:30 uur | 07:31 - 08:29 uur | > 08:30 uur |
| Piektijd van ochtendcortisol | < 08:00 | 08:01 - 08:59 uur | > 09:00 uur |
| Dim licht melatonine begin (DLMO) | < 21:30 uur | 21:31 - 22:29 uur | > 22.30 uur |
| Actigrafische slaap begin | < 23:30 uur | 23:31 - 00:29 uur | > 00:30 uur |
| Gecorrigeerd mid-slaap op vrije dagen (Msfsc) | < 04:00 uur | 04:01 - 04:59 uur | > 05:00 uur |
| Score per variabele | 0 | 1 | 2 |
| TOTAALSCORE | 0 - 3 | 4 - 6 | 7 - 10 |
| Subcategorieën | 0 = extreme ECP 1 = definitief ECP 2 = matige ECP 3 = milde ECP |
4 = vroege ICP 5 = ICP 6 = late ICP |
7 = milde LCP 8 = matige LCP 9 = duidelijke LCP 10 = extreme LCP |
Tabel 1: Categorisatie cut-offs voor circadiane fenotypering in Vroege (ECP), Intermediate (ICP) en Late (LCP) groepen. Elke variabele krijgt een score per deelnemer toegewezen, afhankelijk van het resultaat en de totale scores (0-10) maken categorisering toe in elke groep en elke subcategorie.
| Variabele gemeten | ECP's | LFP's | Betekenis |
| Voorbeeldgrootte | N = 16 | N = 22 | N/a |
| Aantal mannetjes/vrouwtjes | M = 7 | M = 7 | p = 0,51c |
| F = 9 | F = 15 | ||
| Leeftijd (jaren) | 24,69 ± 4,60 | 21,32 ± 3,27 jaar | p = 0,028a |
| Hoogte (cm) | 171,30 ± 1,97 | 171,10 ± 2,38 | p = 0,97a |
| Gewicht (kg) | 66,44 ± 2,78 | 67,05 ± 2,10 | p = 0,88a |
| MSFsc (hh:mm) | 02:24 ± 00:10 | 06:52 ± 00:17 | p < 0,0001a |
| Slaap-onset (hh:mm) | 22:57 ± 00:10 | 02:27 ± 00:19 | p < 0,0001a |
| Wake Up Time (hh:mm) | 06:33 ± 0,10 | 10:13 ± 00:18 | p < 0,0001a |
| Slaapduur (h) | 7,59 ± 0,18 | 7,70 ± 0,14 | p = 0,72a |
| Slaap-efficiëntie (%) | 79,29 ± 1,96 | 77,23 ± 1,14 | p = 0,46a |
| Slaaponsetlatentie (hh:mm) | 00:25 ± 00:06 | 00:25 ± 00:03 | p = 0,30b |
| Fasehoek (hh:mm) | 02:28 ± 00:16 | 02:34 ± 00:18 | p = 0,84a |
| Dim Light Melatonine Onset (hh:mm) | 20:27 ± 00:16 | 23:55 ± 00:26 | p < 0,0001a |
| Cortisol Piektijd (hh:mm) | 07:04 ± 00:16 | 11:13 ± 00:23 | p < 0,0001a |
Tabel 2: Studievariabelen voor circadiane fenotypegroepen; Early (ECPs) en Late (LCPs). Waarden worden weergegeven als gemiddelde ± SEM, afgezien van leeftijd die wordt weergegeven als gemiddelde ± SD. Gecorrigeerde mid-sleep op vrije dagen (MSFsc) wordt berekend op basis van de MCTQ. Type statistische tests die worden gebruikt, worden weergegeven in superscript; parametrische testsa, niet-parametrische testsb en Fisher's exacte testc. Fase hoek wordt bepaald door het verschil (h) tussen dim licht melatonine begin (DLMO) en slaap begin. Alle p-waarden zijn FDR gecorrigeerd24. Deze tabel is met toestemming gewijzigd van Facer-Childs, et al.23.
Discussion
Door de complexe interactie van circadiane- en slaapafhankelijke invloeden op gedrag, is het verkennen van de relatieve bijdragen van elk een uitdaging. Laboratoriumprotocollen zijn grotendeels onrealistisch en duur, waardoor de externe geldigheid wordt slechter wanneer de resultaten worden gerelateerd aan het dagelijks functioneren25. Daarom is er steeds meer behoefte om individuen te bestuderen in hun thuisomgeving om generalizability te bevorderen om real-world contexten. Hoewel veldstudies geen controle van exogene invloeden mogelijk maken, kan een geïntegreerde aanpak helpen om licht te werpen op de invloed van zowel biologische als omgevingsfactoren op gezondheid, fysiologie en prestaties23,26,27. Dit protocol is speciaal ontworpen om individuen in hun thuisomgeving te kunnen controleren terwijl ze hun gebruikelijke routines volgen. Deze speeksel bemonstering protocollen zijn met succes ondernomen in uitdagende instellingen zoals de Amazone28 en de Antarctische29 ter ondersteuning van het gemak van het uitvoeren van dit protocol.
Vragenlijsten zijn een nuttig hulpmiddel in de slaap en circadiane studies als ze een snelle en eenvoudige manier om een breed scala aan informatie te verzamelen. Verschillen tussen subjectieve en objectieve maatregelen kunnen echter moeilijkheden veroorzaken bij het bestuderen van individuele verschillen. Daarom kan het kunnen verzamelen van meerdere subjectieve en objectieve maatregelen de categorisering van circadiane fenotypegroepen versterken. Deze combinatie van methoden - MCTQ, actigraphy, fysiologische bemonstering en prestatietesten - heeft aangetoond hoe resultaten verkeerd kunnen worden geïnterpreteerd als individuele verschillen in circadiane fenotypes niet in aanmerking worden genomen. Het meten van al deze variabelen biedt de meest betrouwbare categorisering van circadiane fenotypegroepen, maar er is potentieel voor het ontwikkelen van de methode verder om minder eisen mogelijk te maken. Bijvoorbeeld, hoewel de betrouwbaarheid nog moet worden onderzocht, om de kosten te verlagen, kunnen onderzoekers de cortisol bemonsteringstap verwijderen of een andere vragenlijst gebruiken. Het zou echter vermeldenswaard zijn dat, aangezien DLMO een huidige goudstandaardmarker is voor circadiane timing en actigrafie een standaardmethode is voor het monitoren van rust/activiteitspatronen, dit essentiële variabelen zou zijn om in beoordelingen op te nemen.
Het plannen van prestatietests op basis van kloktijden in plaats van het baseren van timings ten opzichte van de individuele (interne biologische tijd) verhoogt de haalbaarheid en maakt het mogelijk het protocol toe te passen in echte omgevingen. Een beperking van dit ontwerp is echter het onvermogen om de invloed van het circadiane systeem versus homeostatische invloeden te bepalen. Dit wordt een uitdaging, aangezien er geen manier is om specifieke mechanismen te bevestigen die bijdragen aan de resultaten. Echter, aangezien het doel van dit protocol is om deze groepen te onderzoeken in een real-world scenario, het verminderen van de slaap afhankelijke mechanismen zou de externe geldigheid van de resultaten te minimaliseren. Er kan dus worden gesteld dat het gebruik van een geïntegreerde methode meer toepasbaar en haalbaarder is voor veldstudies.
Directe prestatiemetingen zijn zeer relevant voor de samenleving, maar het lijkt erop dat zonder rekening te houden met de meervoudige beïnvloedende factoren, met name de noodzaak om individuen te groeperen op basis van hun circadiane fenotype en slaapdruk, studies belangrijke resultaten kunnen missen.
Zoals besproken, de PVT en KSS zijn op grote schaal gebruikt in vele gebieden van onderzoek. De eenvoud van de PVT en flexibiliteit in taakduur maakt het een aantrekkelijke test te gebruiken in circadiane en slaapbeperking studies die meerdere testtijden, en is aangetoond dat een gevoelige marker van slaaptekort30,31. Hoewel de testnauwkeurigheid en de totale reactietijden toenemen met de taakduur, vertonen de PVT-taken van 2 min, 5 min en 10 min allemaal een vergelijkbaar tijdstip van dagrelaties32.
Ons protocolontwerp kan worden geïmplementeerd met behulp van een reeks verschillende prestatietaken en op meer frequente tijdspunten indien nodig. Eerdere studies hebben aangetoond tijd van de dag effecten in zowel fysieke als cognitieve prestaties metrics zoals aërobe capaciteit15 en uitvoerende functie25. De implementatie van dit protocol en de boekhouding voor individuele verschillen zal meer inzicht in hoe de mechanismen die bijdragen aan de prestaties te bestuderen, vooral in meer niche-instellingen zoals topsport. Samengevat maakt dit protocol een real-world beoordeling van circadiane fenotype mogelijk en geeft inzicht in hoe de impact van tijd van de dag op de prestaties kan worden gemeten.
Disclosures
B.M. en D.J.S. zijn mede-directeuren van Stockgrand Ltd. De auteurs verklaren geen andere concurrerende financiële belangen.
Acknowledgments
Dit werk werd ondersteund door financiering van de Biotechnology and Biological Sciences Research Council (BBSRC, BB/J014532/1) en de Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC, EP/J002909/1). E.R.F.C werd ondersteund door een Wellcome Trust Institutional Strategic Support Fund (ISSF) Scheme accelerator fellowship (Wellcome 204846/Z/16/Z) en een Australische regering, ministerie van Industrie, Innovatie en Wetenschap (ICG000899/19/0602). Onze oprechte dank zijn aan alle deelnemers en Stockgrand Ltd voor test reagentia.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 |
References
- de Souza, L., et al. Further Validation of Actigraphy for Sleep Studies. Sleep. 26 (1), 81-85 (2003).
- 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).
- 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).
- 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).
- Brown, S. A., et al. Molecular insights into human daily behavior. Proceedings of the National Academy of Sciences. 105 (5), 1602-1607 (2008).
- 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).
- 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).
- 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).
- Burgess, H. J., Fogg, L. F. Individual differences in the amount and timing of salivary melatonin secretion. PLoS One. 3 (8), e3055 (2008).
- 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).
- Bailey, S. L., Heitkemper, M. M. Circadian rhythmicity of cortisol and body temperature: morningness-eveningness effects. Chronobiology International. 18 (2), 249-261 (2001).
- 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).
- 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).
- Benloucif, S., et al.
- Blatter, K., Cajochen, C. Circadian rhythms in cognitive performance: Methodological constraints, protocols, theoretical underpinnings. Physiology & behavior. 90 (2-3), 196-208 (2007).
- 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).
- Schmidt, C., et al. Circadian preference modulates the neural substrate of conflict processing across the day. PLoS One. 7 (1), e29658 (2012).
- 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).
- Van Someren, E. J. Improving actigraphic sleep estimates in insomnia and dementia: how many nights? Journal of sleep research. 16 (3), 269-275 (2007).
- Moreno, C., et al. Sleep patterns in Amazon rubber tappers with and without electric light at home. Scientific Reports. 5, 14074 (2015).
- 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).
- Åkerstedt, T., Gillberg, M. Subjective and objective sleepiness in the active individual. International Journal of Neuroscience. 52 (1-2), 29-37 (1990).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Moreno, C. R., et al. Sleep patterns in Amazon rubber tappers with and without electric light at home. Scientific Reports. 5, 14074 (2015).
- Arendt, J., Middleton, B. Human seasonal and circadian studies in Antarctica (Halley, 75 degrees S)). General and Comparative Endocrinology. 258, 250-258 (2018).
- Basner, M., Dinges, D. F. Maximizing sensitivity of the psychomotor vigilance test (PVT) to sleep loss. Sleep. 34 (5), 581-591 (2011).
- 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).
- 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).
