الإنسان Circadian Phenotyping واختبار الأداء اليومي في العالم الحقيقي
Summary
هنا، نقدم طريقة للتحقيق في الإيقاعات اليومية في الأداء بعد تصنيف دقيق للمشاركين في مجموعات النمط الظاهري circadian على أساس استبيان ميونخ كرونوتايب، والمؤشرات الحيوية المرحلة circadian معيار الذهب والتدابير actigraphic.
Abstract
في مجتمعنا النامي المستمر “على مدار الساعة”، هناك حاجة لزيادة فهمنا لكيفية تأثير التغيرات في علم الأحياء وعلم وظائف الأعضاء وعلم النفس على صحتنا وأدائنا. جزءا لا يتجزأ من هذا التحدي، هو الحاجة المتزايدة لحساب الاختلافات الفردية في النوم والإيقاعات circadian، فضلا عن استكشاف تأثير الوقت من اليوم على الأداء في العالم الحقيقي. هناك عدد من الطرق لقياس النوم والإيقاعات الإيقاعية من الطرق الذاتية المستندة إلى الاستبيان إلى رصد النوم / الاستيقاظ الموضوعي ، وactigraphy وتحليل العينات البيولوجية. تقترح هذه الورقة بروتوكولًا يجمع بين تقنيات متعددة لتصنيف الأفراد في مجموعات النمط الظاهري الإيقاعي المبكر أو المتوسط أو المتأخر (ECPs/ICPs/LCPs) وتوصي بكيفية إجراء اختبار الأداء اليومي في هذا المجال. تظهر النتائج التمثيلية اختلافات كبيرة في أنماط النشاط الباقي المستمدة من الأكتيغرافيا ، والمرحلة الإيقاعية (بداية الميلاتونين الخفيف الخافت ووقت الذروة لاستجابة صحوة الكورتيزول) بين الأنماط الظاهرية الإيقاعية. وبالإضافة إلى ذلك، تؤكد الاختلافات الكبيرة في إيقاعات الأداء اليومي بين برامج الأداء الأوروبية وبرامج التركيز على الحاجة إلى مراعاة النمط الظاهري الإيقاعي. وباختصار، وعلى الرغم من الصعوبات في السيطرة على العوامل المؤثرة، فإن هذا البروتوكول يسمح بتقييم في العالم الحقيقي لأثر النمط الظاهري الإيقاعي على الأداء. تقدم هذه الورقة طريقة بسيطة لتقييم النمط الظاهري الإيقاعي في هذا المجال وتدعم الحاجة إلى النظر في الوقت من اليوم عند تصميم دراسات الأداء.
Introduction
على المستوى السلوكي، يمكن تقييم أنماط الراحة/النشاط الفردية باستخدام أساليب ذاتية قائمة على الاستبيان أو مراقبة موضوعية من خلال اكتياف المعصم. تم التحقق من صحة بيانات أكتيغرافيا ضد polysomnography (PSG) لمختلف معلمات النوم بما في ذلك: إجمالي وقت النوم ، وكفاءة النوم والاستيقاظ بعد بداية النوم1. على الرغم من أن باريس سان جيرمان يعرف باسم المعيار الذهبي لقياس النوم، فإنه من الصعب استخدامها لفترات طويلة خارج مختبر النوم2. ولذلك، تهدف الأكتيغرافيات إلى توفير بديل بسيط وأكثر فعالية من حيث التكلفة لباريس سان جيرمان والسماح برصد نمط الراحة/النشاط على مدار الساعة. يمكن أن تحدد تدابير التقرير الذاتي الذاتي الذاتي “الكرونوتايب” باستخدام استبيان ميونخ كرونوتايب (MCTQ)3، أو تفضيل نهاري باستخدام استبيان Morningness-Eveningness (MEQ)4. يمكن الإشارة إلى المجموعات في أي من طرفي هذا الطيف باسم الأنماط الظاهرية الإيقاعية المبكرة (ECPs) والأنماط الظاهرية الإيقاعية المتأخرة (LCPs) مع تلك الموجودة بينهما كأنماط ظاهرية إيقاعية وسيطة (ICPs).
على الرغم من أن ECPs و LCPs يمكن تمييزها بوضوح من خلال سلوكها (أي أنماط النوم / اليقظة) ، فإن هذه الاختلافات الفردية مدفوعة أيضًا جزئيًا بالاختلافات في علم وظائف الأعضاء5 والاستعداد الوراثي6،7. وغالبا ما تستخدم المؤشرات الحيوية الفسيولوجية لتحديد المرحلة circadian / توقيت الفرد. اثنان من الهرمونات الرئيسية التي تدل على توقيت circadian هي الميلاتونين, الذي يرتفع في المساء لتصل إلى ذروتها في منتصف الليل, والكورتيزول, الذي يبلغ ذروته في الصباح8. باستخدام علامات المرحلة الإيقاعية هذه، يمكن تحديد الاختلافات الفردية في أنماط النوم والاستيقاظ. على سبيل المثال، ضوء خافت الميلاتونين بداية (DLMO)9,,10 ووقت الكورتيزول الصحوة استجابة11,,12 ذروة في وقت سابق في ECPs, الذي ينعكس من قبل إيقاع circadian من درجة حرارة الجسم الأساسية13. يسمح اللعاب بجمع سهل وآمن وغير باضع يمكن من خلاله تحليل هذه الهرمونات عن طريق المناعة الإشعاعية (RIA) أو الفحص المناعي المرتبط بالإنزيم (ELISA) دون الحاجة إلى استخراج أي مواد خلوية. RIA و ELISA هي مقالات حساسة ومحددة تكشف تركيزات المستضدات في العينات البيولوجية (مثل الدم أو البلازما أو اللعاب) ، من خلال تفاعلات الأجسام المضادة المستضدية التي تنطوي على النظائر ذات العلامات الإشعاعية (على سبيل المثال ، اليود(125I) أو الأجسام المضادة المرتبطة بالإنزيم14).
بروتوكولات المختبر رقابة صارمة مثل الروتين المستمر (CR) وdesynchrony القسري (FD) هي المعيار الذهبي في مجال الكرونولوجيا لدراسة الإيقاعات circadian الذاتية15. ومع ذلك، هناك حاجة متزايدة لدراسة الأفراد في بيئتهم المنزلية خارج البيئات المختبرية الاصطناعية لجمع البيانات السياقية وزيادة الصلاحية الخارجية للنتائج. ومن ثم، فإننا نحتاج إلى طرق أفضل لتصنيف الاختلافات الفردية في الميدان وقياسها وتقييمها. وبالإضافة إلى ذلك، تم الكشف عن الاختلافات اليومية في مختلف التدابير البدنية (القدرة الهوائية، وقوة العضلات) والمعرفي (وقت رد الفعل، والاهتمام المستمر، والوظيفة التنفيذية) الأداء مع ECPs أداء أفضل في وقت سابق من اليوم وLCPs في المساء16,,17. وهذا يؤكد أن الوقت من اليوم والنمط الظاهري circadian ينبغي أن تكون العوامل التي تؤخذ في الاعتبار عند إجراء اختبار الأداء في الدراسات البحثية.
ويسمح عدد التدابير والبروتوكولات المختلفة المستخدمة في الدراسات المختبرية بتنفيذ ظروف خاضعة لرقابة عالية. وتميل الدراسات الميدانية إلى أن تكون أكثر صعوبة بسبب عدد العوامل المؤثرة. لذلك ، باستخدام نهج أكثر شمولية من خلال الجمع بين تقنيات متعددة قد توفر المزيد من الدقة عند مراقبة سلوك الفرد وعلم النفس والأداء في بيئته المنزلية18. هنا ، نناقش طريقة يمكن تنفيذها بسهولة في هذا المجال لتحديد الاختلافات الفردية في الأنماط الظاهرية circadian باستخدام MCTQ ، وactigraphy والمؤشرات الحيوية الفسيولوجية. نحن نفترض أن هذه المتغيرات ستختلف بشكل كبير بين مجموعات النمط الظاهري circadian وسيتم ربطها بشكل كبير مع الكرونوتايب (= تصحيح منتصف النوم في الأيام الحرة (MSFsc)التي تم جمعها من MCTQ). وعلاوة على ذلك، نقترح طرقًا لقياس الأداء اليومي، مع تسليط الضوء على الحاجة إلى تحليل البيانات بشكل منفصل لكل مجموعة من أنواع الفينوتاي. نحن نفترض أن الاختلافات في إيقاعات الأداء اليومي سيتم حجبها إذا تم تحليل البيانات فقط على مستوى السكان بأكمله.
Protocol
Representative Results
Discussion
نظرًا للتفاعل المعقد بين التأثيرات التي تعتمد على الإيقاعي والنوم على السلوك ، فإن استكشاف المساهمات النسبية لكل منها أمر صعب. البروتوكولات المختبرية غير واقعية ومكلفة إلى حد كبير ، وبالتالي فهي تحمل صلاحية خارجية أقل عند ربط النتائج بالأداء اليومي25. ولذلك، هناك حاجة متزايدة لدراسة الأفراد في بيئتهم الأصلية لتعزيز التعميم في سياقات العالم الحقيقي. على الرغم من أن الدراسات الميدانية لا تسمح بالتحكم في التأثيرات الخارجية ، إلا أن النهج المتكامل قد يساعد على تسليط الضوء على كيفية تأثير العوامل البيولوجية والبيئية على الصحة وعلم وظائف الأعضاء والأداء23،26،27. تم تصميم هذا البروتوكول خصيصًا ليكون قادرًا على مراقبة الأفراد في بيئتهم المنزلية أثناء اتباع إجراءاتهم المعتادة. وقد تم تنفيذ بروتوكولات أخذ عينات اللعاب هذه بنجاح في بيئات صعبة مثل Amazon28 والقطب الجنوبي29 لدعم سهولة تنفيذ هذا البروتوكول.
الاستبيانات هي أداة مفيدة في دراسات النوم وcircadian لأنها تسمح بطريقة سريعة وبسيطة لجمع مجموعة واسعة من المعلومات. غير أن التناقضات بين التدابير الذاتية والموضوعية يمكن أن تخلق صعوبات عند محاولة دراسة الاختلافات الفردية. ولذلك، فإن القدرة على جمع تدابير ذاتية وموضوعية متعددة يمكن أن تعزز تصنيف مجموعات النمط الظاهري الإيقاعي. وقد أبرز هذا المزيج من الأساليب – MCTQ ، وactigraphs ، وأخذ العينات الفسيولوجية واختبار الأداء – كيف يمكن تفسير النتائج إذا لم يتم النظر في الاختلافات الفردية في الأنماط الظاهرية circadian. قياس كل هذه المتغيرات يوفر التصنيف الأكثر موثوقية من مجموعات النمط الظاهري circadian، ومع ذلك، هناك إمكانية لتطوير طريقة أكثر للسماح متطلبات أقل. على سبيل المثال، على الرغم من أن الموثوقية لا تزال يتعين التحقيق فيها، لتقليل التكلفة، يمكن للباحثين إزالة خطوة أخذ عينات الكورتيزول أو استخدام استبيان مختلف. ومع ذلك، تجدر الإشارة إلى أنه بما أن DLMO هي علامة قياسية ذهبية حالية للتوقيت الإيقاعي وactigraphy هو طريقة قياسية لرصد أنماط الراحة/النشاط، فإن هذا سيكون متغيرات أساسية لإدراجها في التقييمات.
جدولة اختبارات الأداء على أساس أوقات الساعة بدلاً من وضع توقيتات القياس بالنسبة للفرد (الوقت البيولوجي الداخلي) يزيد من الجدوى ويسمح بتطبيق البروتوكول في إعدادات العالم الحقيقي. ومع ذلك، فإن أحد القيود المفروضة على هذا التصميم هو عدم القدرة على تحديد تأثير النظام الإيقاعي مقابل التأثيرات المثلية. ويصبح هذا تحديا ً حيث لا توجد طريقة لتأكيد آليات محددة تسهم في تحقيق النتائج. ومع ذلك، بما أن الغرض من هذا البروتوكول هو التحقيق في هذه المجموعات في سيناريو في العالم الحقيقي، فإن تقليل الآليات المعتمدة على النوم من شأنه أن يقلل من الصلاحية الخارجية للنتائج. ولذلك يمكن القول بأن استخدام طريقة متكاملة أكثر انطباقا وأكثر جدوى على الدراسات الميدانية.
المقاييس المباشرة للأداء ذات صلة وثيقة بالمجتمع، ولكن يبدو أنه بدون الأخذ في الاعتبار العوامل المؤثرة المتعددة، وخاصة الحاجة إلى تجميع الأفراد وفقًا لنوع همفيوتاي وضغط النوم، يمكن أن تكون الدراسات مفقودة النتائج الرئيسية.
كما نوقش ، وقد استخدمت على نطاق واسع PVT وKSS في العديد من مجالات البحث. بساطة PVT والمرونة في مدة المهمة يجعلها اختبار جذاب للاستخدام في circadian ودراسات تقييد النوم التي تتطلب أوقات اختبار متعددة، وقد ثبت أن تكون علامة حساسة من الحرمان من النوم30،31. على الرغم من دقة الاختبار وأوقات التفاعل الإجمالية زيادة مع مدة المهمة، و2 دقيقة، 5 دقيقة و 10 دقيقة PVT المهام تظهر كل وقت مماثل من العلاقات اليوم32.
يمكن تنفيذ تصميم البروتوكول لدينا باستخدام مجموعة من مهام الأداء المختلفة وفي نقاط زمنية أكثر تكرارًا إذا لزم الأمر. وقد أظهرت الدراسات السابقة الوقت من الآثار اليومية في كل من مقاييس الأداء البدني والمعرفي مثل القدرة الهوائية15 والوظيفة التنفيذية25. ومن شأن تنفيذ هذا البروتوكول ومراعاة الاختلافات الفردية أن يزيد من فهم كيفية دراسة الآليات التي تسهم في الأداء، ولا سيما في البيئات الأكثر تخصصاً مثل رياضات النخبة. وباختصار، يسمح هذا البروتوكول بتقييم العالم الحقيقي للنوع الظاهري الإيقاعي ويوفر نظرة ثاقبة حول كيفية قياس تأثير الوقت من اليوم على الأداء.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقد تم دعم هذا العمل بتمويل من مجلس بحوث التكنولوجيا الحيوية والعلوم البيولوجية (BBSRC, BB/J014532/1) ومجلس بحوث العلوم الهندسية والفيزيائية (EPSRC, EP/J002909/1). ويحظى برنامج E.R.F.C بدعم من زمالة مسرع مخطط مخطط ويلكوم الاستئماني الاستئماني (Wellcome 204846/Z/16/Z) وحكومة أسترالية، وزارة الصناعة والابتكار والعلوم (ICG0000899/19/0602). خالص شكرنا لجميع المشاركين وStockgrand المحدودة لكواشف ازان.
Materials
| 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. Measuring melatonin in humans. Journal of Clinical Sleep Medicine. 4 (1), 66-69 (2008).
- 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).
