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行为学

Phénotypage circadien humain et tests de performance diurne dans le monde réel

Published: April 07, 2020
doi:
10.3791/60448
, , ,
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

Summary

Ici, nous présentons une méthode pour étudier les rythmes diurnes dans la performance suivant la catégorisation précise des participants dans les groupes circadiens de phénotype basé sur le questionnaire de chronotype de Munich, les biomarqueurs circadiens standard d’or et les mesures actigraphiques.

Abstract

Dans notre société en constante évolution « 24 heures sur 24 », il est nécessaire d’accroître notre compréhension de l’influence des changements en biologie, en physiologie et en psychologie sur notre santé et notre performance. Dans ce défi, est le besoin croissant de tenir compte des différences individuelles dans le sommeil et les rythmes circadiens, ainsi que d’explorer l’impact de l’heure de la journée sur la performance dans le monde réel. Il existe un certain nombre de façons de mesurer le sommeil et les rythmes circadiens, des méthodes subjectives basées sur des questionnaires à la surveillance objective du sommeil/réveil, à l’actigraphie et à l’analyse d’échantillons biologiques. Cet article propose un protocole qui combine de multiples techniques pour classer les individus en groupes de phénotype circadien précoce, intermédiaire ou tardif (ECP/ICP/LCP) et recommande comment effectuer des tests de performance diurnes sur le terrain. Les résultats représentatifs montrent de grandes différences dans les modèles de repos-activité dérivés de l’actigraphie, phase circadienne (début de mélatonine de lumière faible et heure de pointe de la réponse d’éveil de cortisol) entre les phénotypes circadiens. En outre, des différences significatives dans les rythmes de performance diurnes entre les ECP et les LCP soulignent la nécessité de tenir compte du phénotype circadien. En résumé, malgré les difficultés à contrôler les facteurs d’influence, ce protocole permet une évaluation du monde réel de l’impact du phénotype circadien sur la performance. Cet article présente une méthode simple pour évaluer le phénotype circadien dans le domaine et soutient la nécessité de considérer l’heure de la journée lors de la conception d’études de performance.

Introduction

Au niveau comportemental, l’évaluation des modèles individuels de repos/activité peut être faite en utilisant des méthodes subjectives basées sur le questionnaire ou la surveillance objective par l’actigraphie de poignet. Les données actigraphiques ont été validées contre la polysomnographie (PSG) pour divers paramètres de sommeil, y compris: temps de sommeil total, efficacité du sommeil et le réveil après le début du sommeil1. Bien que le PSG soit connu comme l’étalon-or pour mesurer le sommeil, il est difficile d’utiliser pendant de longues périodes en dehors du laboratoire de sommeil2. Par conséquent, les actigraphes sont destinés à fournir une alternative simple et plus rentable au PSG et permettre la surveillance de 24 h de repos / activité modèle. Les mesures subjectives d’autodétection peuvent définir son « chronotype » à l’aide du questionnaire ChronoType de Munich (MCTQ)3, ou préférence diurne à l’aide du questionnaire Morningness-Eveningness (MEQ)4. Les groupes à chaque extrémité de ce spectre peuvent être appelés phénotypes circadiens précoces (ECP) et phénotypes circadiens tardifs (PPE) avec ceux entre les deux comme phénotypes circadiens intermédiaires (ICP).

Bien que les PPE et les PLD soient clairement distinguables par leur comportement (c.-à-d. les habitudes de sommeil/éveil), ces différences individuelles sont également en partie motivées par les variations de la physiologie5 et la prédisposition génétique6,7. Les biomarqueurs physiologiques sont souvent utilisés pour déterminer la phase/synchronisation circadienne d’un individu. Deux des principales hormones indicatrices de la synchronisation circadienne sont la mélatonine, qui se lève dans la soirée pour atteindre un pic au milieu de la nuit, et le cortisol, qui culmine dans la matinée8. À l’aide de ces marqueurs de phase circadienne, les différences individuelles dans les modèles de veille-sommeil peuvent être identifiées. Par exemple, le début de la mélatonine de faible lumière (DLMO)9,10 et le temps de la réponse d’éveil de cortisol11,12 pic plus tôt dans ECPs, qui est reflétée par le rythme circadien de la température corporelle de noyau13. La salive permet une collecte facile, sûre et non invasive à partir de laquelle ces hormones peuvent être analysées par radioimmunoassay (RIA) ou l’essai immunosorbent lié aux enzymes (ELISA) sans avoir besoin d’extraire de matériel cellulaire. RIA et ELISA sont des essais sensibles et spécifiques qui détectent les concentrations d’antigènes dans les échantillons biologiques (p. ex., sang, plasma ou salive), par des réactions d’anticorps antigènes impliquant des isotopes radiolacés (p. ex., l’iode(125I) ou des anticorps liés aux enzymes14).

Des protocoles de laboratoire strictement contrôlés tels que la routine constante (CR) et la desynchronie forcée (FD) sont l’étalon-or dans le domaine de la chronobiologie pour étudier les rythmes circadiens endogènes15. Cependant, il est de plus en plus nécessaire d’étudier les individus dans leur environnement familial en dehors des milieux artificiels de laboratoire pour recueillir des données contextuelles et augmenter la validité externe des résultats. Par conséquent, nous avons besoin de meilleures façons de catégoriser, de mesurer et d’évaluer les différences individuelles dans le domaine. En outre, les variations diurnes dans diverses mesures de la physique (capacité aérobie, force musculaire) et cognitive (temps de réaction, attention soutenue, fonction exécutive) performance ont été découverts avec ECPs mieux performer plus tôt dans la journée et LCP dans la soirée16,17. Cela souligne que le temps de la journée et le phénotype circadien devraient être des facteurs qui sont pris en considération lors de l’exécution des tests de performance dans les études de recherche.

Le nombre de mesures et de protocoles utilisés dans les études de laboratoire permet la mise en œuvre de conditions hautement contrôlées. Les études sur le terrain ont tendance à être plus difficiles en raison du nombre de facteurs d’influence. Par conséquent, l’utilisation d’une approche plus holistique en combinant plusieurs techniques peut fournir plus de précision lors de la surveillance du comportement, de la psychologie et de la performance d’une personne dans son environnement domestique18. Ici, nous discutons d’une méthode qui peut facilement être mise en œuvre sur le terrain pour identifier les différences individuelles dans les phénotypes circadiens à l’aide du MCTQ, l’actigraphie et les biomarqueurs physiologiques. Nous émettons l’hypothèse que ces variables différeront considérablement entre les groupes de phénotype circadien et seront significativement corrélées avec le chronotype (corrigé au milieu du sommeil les jours libres (MSFsc)recueillis à partir du MCTQ). En outre, nous suggérons des moyens de mesurer les performances diurnes, en soulignant la nécessité d’analyser les données séparément pour chaque groupe de phénotype circadien. Nous émettons l’hypothèse que les différences dans les rythmes de performance diurnes seront occultées si les données ne sont analysées qu’à l’ensemble de la population.

Protocol

Toutes les méthodes décrites ici ont été approuvées par le Comité d’éthique de la recherche de l’Université de Birmingham. 1. Dépistage des participants et conception expérimentale Effectuez toutes les méthodes suivant les approbations éthiques appropriées, conformément à la Déclaration d’Helsinki et obtenez le consentement éclairé écrit de tous les participants avant toute participation. Recrutez des participants sans diagnostic préalable de sommeil, de troubles neurologiques ou psychiatriques, et sans prendre de médicaments qui affectent le sommeil, la mélatonine ou les rythmes de cortisol. Assurez-vous qu’aucun participant n’est un travailleur par quarts, que les participants n’ont pas voyagé plus de deux fuseaux horaires au cours du dernier mois et qu’ils sont libres de participer à l’étude (c.-à-d. en mesure de s’engager à porter l’actiwatch, de donner des échantillons de salive pendant une « journée libre » et d’être présents pour des tests de performance à des moments précis (voir l’article 2.1)). Demandez aux participants qui adoptent des critères d’inclusion d’assister à une réunion initiale pour obtenir le consentement, recueillir des données de questionnaire, recevoir une formation sur la collecte d’échantillons de salive à la maison et être mis en place avec un dispositif actigraphique et un journal de sommeil. Lors de cette réunion, familiariser les participants avec les protocoles d’échantillonnage physiologique pour s’assurer qu’ils comprennent ce qui est nécessaire (voir la section 3). Demandez aux participants de remplir le questionnaire ChronoType de Munich (MCTQ), qui évalue les différences individuelles dans les variables sommeil/éveil et l’exposition à la lumière sur le travail et les jours libres3. Cela permet le calcul des temps de mi-sommeil corrigés les jours libres (MSFsc), utilisé comme marqueur de chronotype. 2. Actigraphie et carnets de sommeil Pendant au moins deux semaines19 (peut-être des périodes plus longues selon les objectifs de l’étude), demandez aux participants de porter un moniteur d’activité du poignet ou un « actigraph », de recueillir des habitudes de repos/activité, et des données légères (1-32 000 lux) tout au long de la période d’étude. Donnez à chaque participant des détails sur la façon d’utiliser les actigraphes, y compris l’enlèvement pour le bain/douche (si elle n’est pas imperméable à l’eau) et la prévention des manches les couvrant pour permettre la collecte de données lumineuses. Assurez-vous que les actigraphes sont portés sur le poignet non dominant. En combinaison avec l’actigraphie et pour faciliter l’analyse du sommeil/réveil dérivée des données actigraphiques, donnez à chaque participant un journal de sommeil à remplir sur une base quotidienne. Assurez-vous que les questions posées comprennent l’heure du coucher, les heures de sommeil, les réveils nocturnes, les heures de réveil, la qualité du sommeil, les siestes et les moments où les actigraphes ont été enlevés. Recueillir des données d’actigraphie pour l’analyse de repos/activité etant les paramètres en fonction de ce qui est requis (cette étude a utilisé une fréquence d’échantillonnage de 30Hz et un réglage de sensibilité moyenne). Extraire les détails de l’heure du coucher quotidienne et augmentez les heures des journaux de sommeil et les entrées au logiciel ou à l’alternative du fabricant (p. ex., code validé open source afin d’obtenir des variables actigraphiques pertinentes pour l’étude). 3. Échantillonnage physiologique Pré-préparer des trousses d’échantillonnage en étiquetant des tubes de collecte de polypropylène ou des salivettes (utiliser des bijoux en plastique de 7 ml dans cette étude). Étiqueter les tubes avec le numéro d’identification du participant, le matin ou le soir et les numéros d’échantillonnage individuels. Inclure un tube de rechange à utiliser en cas d’erreurs. Préparer une feuille d’enregistrement de collecte d’échantillons pour les protocoles du matin et du soir afin de permettre aux participants de passer un horodatage lorsque des échantillons sont prélevés (p. ex., échantillon du matin 1, temps prélevé , hh:mm, échantillon du matin 2, temps pris et hh:mm). Inclure le numéro d’identification des participants, la date d’information saisonnière et l’emplacement du calcul du photopériod.REMARQUE : Il est crucial que le temps militaire soit utilisé pour s’assurer qu’il n’y a pas de problèmes avec AM/PM. Différentes étiquettes colorées pour les tubes d’échantillonnage du matin et du soir peuvent également être utilisées pour distinguer les échantillons. Donnez aux participants les protocoles pertinents pour l’échantillonnage physiologique et les paquets pré-faits pendant la formation de la façon de prélever des échantillons de salive dans leur environnement de travail à domicile/. Informez le participant que les échantillons doivent être prélevés un jour libre lorsque les participants peuvent se coucher et se réveiller à des moments privilégiés (c.-à-d. sans avoir besoin d’une alarme). Pour assurer un calcul fiable de d’OMMD, les participants ne devraient pas effectuer le protocole d’échantillonnage de la salive du soir la veille des tests de performance en raison de la nécessité de rester éveillé après l’heure habituelle du coucher. Demandez aux participants d’allouer un matin et une soirée (le même jour) au cours de la deuxième semaine de l’étude lorsqu’ils sont en mesure de s’engager à donner des échantillons de salive. Conseillez aux participants de prélever des échantillons du matin suivis d’échantillons du soir le même jour.REMARQUE : L’ordre d’échantillonnage (matin puis soir) doit être suivi pour s’assurer que tout changement dans le temps de sommeil n’a pas d’incidence sur les résultats (si les échantillons du soir sont prélevés d’abord nécessitant de rester éveillé après l’heure habituelle du coucher, cela pourrait influencer les échantillons du matin s’ils sont prélevés le lendemain). Protocole d’échantillonnage du matin pour la réponse d’éveil de cortisol Assurez-vous que les échantillons de salive sont prélevés au point de se réveiller (alors qu’ils sont encore au lit), tous les 15 minutes pour la première heure, puis toutes les 30 minutes pour les 1 à 2 h suivants. Recueillir des échantillons de salive en crachant dans la fiole bien étiquetée (à partir de no 1, 2, 3, etc.). Pendant cette période, assurez-vous que les participants : s’abstenir de boissons alcoolisées, boissons contenant des colorants artificiels et de la nourriture pendant la période de test et s’abstenir de nettoyer les dents, avec ou sans dentifrice pendant la période d’échantillonnage. Une fois que tous les échantillons ont été fournis, assurez-vous que les participants entreposent leurs échantillons dans leur congélateur à -20 oC jusqu’à la collecte par l’équipe de recherche.REMARQUE : Il est préférable de conserver les échantillons congelés si possible, mais ils resteront viables s’ils sont conservés au réfrigérateur jusqu’à la collecte le lendemain. En vertu de la Loi de 2004 sur les tissus humains( les échantillons doivent être recueillis et traités dans les sept jours suivant leur collecte afin de les rendre acellulaires, à moins qu’une licence HTA ne soit détenue par l’institution qui effectue l’analyse. Protocole d’échantillonnage de soirée pour le début de la mélatonine de lumière tamisée Assurez-vous que les échantillons de salive sont prélevés toutes les 30 minutes de 3 à 4 h avant l’heure habituelle du coucher jusqu’à 1 à 2 h après l’heure habituelle du coucher (p. ex., si l’heure habituelle du coucher est de 22 h, le participant commencerait à 18:00/19:00 h jusqu’à 23:00/00:00 h). Recueillir des échantillons de salive en crachant dans la fiole bien étiquetée (en commençant par le no 1 puis 2, 3, etc.). Pendant cette période, assurez-vous que les participants : s’abstenir de boissons caféinées (p. ex., thé, café, coca-cola) à partir de 6 h avant l’heure habituelle du coucher (p. ex., si l’heure habituelle du coucher est de 22 h, la consommation de caféine devrait s’arrêter à 16 h le jour de la collecte). Assurez-vous que les participants restent assis à l’intérieur dans une lumière faible (lt; 10 lux, par exemple, une lampe de table unique de préférence lumière rouge, de l’autre côté de la pièce, pas de lumières aériennes, pas d’écrans électroniques, rideaux fermés). Assurez-vous que les participants évitent de boire des boissons contenant de l’alcool ou des colorants artificiels et s’abstenir de nettoyer les dents, avec ou sans dentifrice, pendant la période d’échantillonnage. Si les participants souhaitent manger quelque chose, aller aux toilettes ou faire une boisson non caféinée, assurez-vous qu’ils le font immédiatement après la collecte d’un échantillon et essayer d’être assis à nouveau pendant 15 minutes avant que le prochain échantillon ne soit prévu. Si la nourriture est consommée entre les échantillons, assurez-vous que les participants se lavent la bouche avec de l’eau 15 min avant la collecte de l’échantillon suivant. Assurez-vous que toutes les autres pièces ont les mêmes conditions de lumière de sorte que le participant reste dans la lumière tamisée (de préférence la lumière rouge) pour la durée de la période d’échantillonnage. Une fois que tous les échantillons ont été fournis, assurez-vous que les participants entreposent leurs échantillons dans leur congélateur à -20 oC jusqu’à la collecte par l’équipe de recherche.REMARQUE : Il est essentiel que les participants adhèrent au protocole de lumière tamisée. Dans la mesure du possible, les chercheurs devraient mesurer les conditions de lumière afin de surveiller l’intensité et la composition spectrale. 4. Radioimmunoassay Effectuez RIA ou ELISA de mélatonine et de cortisol dans la salive humaine pour déterminer les concentrations relatives à chaque point de temps.REMARQUE : La procédure dans ces résultats représentatifs a employé RIA avec un traceur d’Iode (125I) étiqueté radioactif et séparation de phase solide. Ce protocole est régulièrement utilisé dans le Laboratoire de chronobiologie de l’Université de Surrey, Royaume-Uni20. Calculer les DLMO individuels comme point de chronométrement auquel la concentration de mélatonine dépasse deux écarts standard des trois mesures de référence (les trois premiers échantillons).REMARQUE : Cette méthode s’ajuste aux différences de base individuelles par rapport à l’utilisation d’une concentration à taux fixe14. D’autres méthodes peuvent être utilisées en fonction des points de temps utilisés dans l’échantillonnage (p. ex., sur une période de 24 h pour un profil complet14). Calculez le pic de cortisol comme le temps de la concentration la plus élevée de cortisol enregistrée pendant la réponse matinale d’éveil de cortisol. 5. Test de performance diurnal REMARQUE: Les mesures qui ont été utilisées dans ce protocole sont la tâche de vigilance psychomotrice (PVT)21, et l’échelle de somnolence Karolinska (KSS)22. Cependant, d’autres tests pourraient être utilisés en gardant la même conception en fonction de l’objectif de l’étude (par exemple, si l’étude étudiait l’impact du phénotype circadien sur la mémoire de travail, une tâche de mémoire serait nécessaire). Demandez aux participants d’effectuer au moins un essai de pratique (selon la tâche) au cours de la semaine précédant les tests pour se familiariser avec la mise en place.REMARQUE : Les essais pratiques peuvent être effectués à distance s’ils sont surveillés. Le nombre de tests de pratique doit être adapté à la tâche(s) utilisée dans l’étude. Par exemple, une tâche de fonction exécutive plus complexe peut nécessiter un certain nombre de tests de pratique pour atteindre un plateau par rapport à une tâche plus simple. Organiser des séances d’essai selon les hypothèses de l’étude en fonction du nombre de points de temps étudiés à des heures d’horloge spécifiques.REMARQUE : Selon la conception de l’étude, des tests de performance peuvent être effectués à la maison ou en laboratoire. En raison de la nature sensible au temps du protocole, si des tests de rendement sont effectués dans l’environnement familial, la conformité doit être surveillée pour s’assurer que les participants le mènent eux-mêmes, en plus d’être gravés dans l’heure et la date. Effectuer des tests sur un appareil pertinent (cette étude a utilisé un processeur DQ67OW, i7-2600, 4 Go de RAM, bureau 32 bits avec un clavier et une souris standard).REMARQUE : Si un ordinateur portable, un iPad ou un autre appareil est nécessaire pour les tests, assurez-vous que le même appareil et les mêmes paramètres sont utilisés tout au long de l’étude pour tous les participants et chaque séance de test en raison de la variabilité potentielle des réponses d’un tapis de piste par rapport à l’écran tactile. 6. Analyse Catégoriser les groupes de phénotype circadien en fonction de leur valeur pour les cinq variables recueillies : MSFsc, wake up time, peak time of cortisol awakening response, DLMO and sleep onset (cut off are given in Table 1). Allouer un score par variable pour chaque participant. Une variable est allouée 0 si elle est dans la catégorie ECP, 1 si elle est dans la catégorie ICP et 2 si elle est dans la catégorie LCP. Par exemple, si un participant est dans la catégorie LCP pour toutes les variables, il accumulerait une note de 10. Sur un score total de 0-10 identifier les participants comme ECP (0-3), ICPs (4-6) et LCP (7-10). À partir du score total, les sous-catégories de phénotypes circadiens peuvent être déterminées comme suit : 0 ECP extrême, 1 ECP défini, 2 ECP modéré, 3 ‘ ECP doux, 4 ‘ PCI précoce, 5 ‘ICP, 6 ‘CIP tardif, 7 ‘ LCP doux, 8 ‘modéré LCP, 9 ‘défini.REMARQUE : L’analyse statistique doit être déterminée en fonction des questions de recherche pour des études individuelles. Les tests non paramétriques doivent être utilisés lorsque les données ne suivent pas une distribution normale. Des tests post hoc doivent être exécutés pour déterminer l’heure des effets de la journée. Lors de la mesure d’un certain nombre de paramètres, d’autres corrections de comparaisons multiples devraient être effectuées (p. ex., correction des valeurs P par FDR).

Representative Results

Ces résultats dans les PPE et les PBL ont déjà été publiés par Facer-Childs, Campos et coll.23. Toutes les autorisations ont été obtenues auprès de l’éditeur. Pour les études nécessitant une enquête sur les trois groupes (early, Intermediate et Late), les mêmes méthodes et coupures peuvent être utilisées. Phénotypage circadien (tableau 1, tableau 2 et figure 1)La première hypothèse présentée dans cet article est que les groupes différeraient considérablement dans le sommeil et les variables circadiennes. Parmi les participants (n ‘ 22) qui ont participé à cette étude, ceux qui ont été classés comme ECP avaient une note entre 0-1 et tous les LCP entre 8-10 (coupures accordées dans le tableau 1). Pour confirmer ces résultats, les moyennes de groupe ont été comparées pour chaque variable. MSFsc était de 02:24 à 00:10 h pour les ECP par rapport à 06:52 -00:17 h dans les LPE (t(36) – 12,2, p ‘lt; 0.0001). Les marqueurs physiologiques différaient également de manière significative entre les deux groupes. DLMO s’est produit à 20:27 -00:16 h dans ECPs et à 23:55 -00:26 h dans LCPS (t(30) – 6,8, p ‘lt; 0.0001). L’heure de pointe de la réponse d’éveil de cortisol s’est produite à 07:04 – 00:16 h dans ECPs et 11:13 -00:23 h dans les PML (t(36) – 8,0, p ‘lt; 0.0001). Les mêmes relations ont été observées avec des variables actigraphiques pour l’apparition du sommeil et les chronométrages de réveil avec l’apparition moyenne du sommeil se produisant à 22:57 – 00:10 h dans ECPs et 02:27 – 00:19 h dans les LCP (t(34) – 8,9, p ‘lt; 0.0001) et le temps de réveil se produisant à 06:33 -0.10 h dans ECPs et 10:13 ’00:18 h dans les PML (t(t(34) ‘9.9, p ‘lt; 0.0001). D’autres variables de sommeil, y compris la durée, l’efficacité et la latence, ne différaient pas considérablement d’un groupe à l’autre (tableau 2). La deuxième hypothèse est que MSFsc recueillie à partir du MCTQ serait significativement corrélée avec les biomarqueurs de phase actigraphique et circadienne de qualité or. La figure 1 montre que MSFsc était significativement corrélée avec DLMO (R2 à 0,65, p ‘lt; 0.0001), heure de pointe de la réponse d’éveil de cortisol (R2 ‘0.75, p ‘lt; 0.0001), début du sommeil (R2 ‘0.80, p ‘lt; 0.0001) et temps de réveil (R2 ‘0,86, p ‘lt; 0.0001). Ces résultats représentatifs montrent que les différents groupes de phénotype circadien ont des différences claires dans l’apparition du sommeil/décalage (c.-à-d. le temps de réveil), ainsi que dans les variables physiologiques (DLMO et heure de pointe du cortisol du matin). Test diurnal (figure 2)On a émis l’hypothèse qu’en testant plusieurs fois au cours de la journée, des rythmes diurnes dans la somnolence subjective et la performance pourraient être identifiés dans chaque groupe (ECP/LCP). En outre, on a émis l’hypothèse que si les phénotypes circadiens n’étaient pas pris en considération et que les données étaient analysées à un niveau de groupe entier seulement, alors les variations diurnes seraient déformées. Des variations diurnes significatives ont été trouvées au niveau entier de groupe pour le PVT et le KSS. Les performances du PVT à la séance d’essai de 08 h étaient significativement plus lentes que l’essai de 14 h(p – 0,027), tout comme la somnolence subjective(p – 0,024). Des performances PVT significativement plus lentes ont également été trouvées entre 08:00 h et 20:00 h(p – 0.041). Lorsque chaque groupe a été analysé séparément, des variations diurnes significatives dans le rendement du PVT ont été observées dans les PCP, mais pas dans les ECP. Les LCP ont été nettement pires à 08h00 contre 14h00(p – 0,0079) et mieux à 20h00 contre 08h00(p – 0,0006). La somnolence subjective a montré des variations diurnes significatives dans chaque groupe. EcPE signalé plus de somnolence à 20:00 h par rapport à 08:00 h(p – 0,0054). L’inverse a été observé dans les LCP qui ont signalé la plus grande somnolence à 08:00 h et le plus bas à 20:00 h. La somnolence à 08:00 h était significativement plus élevée que 14:00 h et 20:00 h dans les PMA (les deux p ‘lt; 0.0001). Figure 1 : Analyse linéaire de régression pour montrer les relations entre les variables de sommeil/réveil utilisant l’actigraphie et les biomarqueurs physiologiques. Corrigé mi-sommeil les jours libres (MSFsc) est affiché comme heure de la journée (h) sur l’axe x. Les phénotypes circadiens précoces (ECP) sont montrés dans la boîte bleue, phénotypes circadiens tardifs (LCP) dans la boîte rouge. (a) Heure de pointe de la réponse d’éveil de cortisol (h), (b) temps de réveil (h), (c) dim léger début de mélatonine (DLMO) (h), (d) Temps de début de sommeil (h). La valeur R2 est indiquée dans le coin inférieur droit avec le niveau de signification affiché à ‘p ‘lt; 0.0001. Ce chiffre a été modifié, avec la permission, de Facer-Childs, et autres23. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre. Figure 2 : Courbes de variations diurnes dans l’échelle de somnolence de Karolinska et la performance de la tâche de vigilance psychomotrice (PVT). L’heure de la journée (h) est affichée sur l’axe x. Les résultats de groupe entiers sont montrés dans la première colonne, les phénotypes circadiens précoces (ECP) dans la deuxième colonne et les phénotypes circadiens tardifs (LCP) dans la troisième colonne. (a) Score de somnolence subjective (KSS),b) Temps de réaction de PVT (s). Des courbes de régression non linéaires polynomiales de deuxième ordre ont été installées. Le niveau d’importance est indiqué comme ns (pas significatif),(p ‘lt; 0.05),”p ‘lt; 0.01), ”'(p ‘lt; 0.001) et ”'(p ‘lt; 0.0001).p Ce chiffre a été modifié, avec la permission, de Facer-Childs, et autres23. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre. Variable mesurée Catégorie ECP Catégorie ICP Catégorie LCP Temps de réveil actigraphique lt; 07:30 h 07:31 – 08:29 h 08h30 Heure de pointe du cortisol du matin lt; 08:00 08:01 – 08:59 h 09h00 Début de la mélatonine faible (DLMO) lt; 21:30 h 21:31 – 22:29 h 22,30 h Début du sommeil actigraphique lt; 23:30 h 23:31 – 00:29 h 00h30 Correction du mi-sommeil les jours libres (MSFsc) lt; 04:00 h 04:01 – 04:59 h 05h00 Score par variable 0 1 2 TOTAL SCORE 0 – 3 4 – 6 7 – 10 Sous-catégories 0 – ECP extrême1 – ECP défini2 – ECP modéré3 – ECP doux 4 – ICP précoce5 – ICP6 – retard ICP 7 – LCP doux8 – LCP modéré9 – Défini LCP10 – LCP extrême Tableau 1 : Coupures de catégorisation pour le phénotypage circadien dans les groupes Early (ECP), Intermediate (ICP) et Late (LCP). Chaque variable est attribuée un score par participant en fonction de son résultat et les scores totaux (0-10) permettent la catégorisation dans chaque groupe et chaque sous-catégorie. Variable mesurée Pcu LES LCP Importance Taille de l’échantillon N 16 N 22 n/a Nombre d’hommes/femmes M 7 M 7 p 0,51c F 9 F 15 Age (années) 24,69 à 4,60 21,32 ans et 3,27 ans p 0,028a Hauteur (cm) 171,30 à 1,97 171,10 à 2,38 p 0,97a Poids (kg) 66,44 à 2,78 67,05 à 2,10 p 0,88a MSFsc (hh:mm) 02:24 à 00:10 06:52 – 00:17 p’lt; 0.0001a Début du sommeil (hh:mm) 22:57 à 00:10 02:27 à 00:19 p’lt; 0.0001a Wake Up Time (hh:mm) 06:33 – 0,10 10:13 à 00:18 p’lt; 0.0001a Durée du sommeil (h) 7,59 à 0,18 7,70 à 0,14 p 0,72a Efficacité du sommeil (%) 79,29 à 1,96 77,23 à 1,14 p 0,46a Latence de début de sommeil (hh:mm) 00:25 à 00:06 00:25 à 00:03 p 0,30b Angle de phase (hh:mm) 02:28 à 00:16 02:34 à 00:18 p 0,84a Dim Light Melatonin Onset (hh:mm) 20:27 à 00:16 23:55 à 00:26 p’lt; 0.0001a Cortisol Peak Time (hh:mm) 07:04 à 00:16 11:13 à 00:23 p’lt; 0.0001a Tableau 2 : Variables d’étude pour les groupes de phénotype circadiens; Tôt (PPE) et Late (LCP). Les valeurs sont affichées comme moyennes – SEM en dehors de l’âge qui est indiqué comme moyen – SD. Corrigé mi-sommeil les jours libres (MSFsc) est calculé à partir du MCTQ. Type de tests statistiques utilisés sont affichés dans le superscript; testparamétriques, untest non paramétriqueb et le test exact de Fisherc. L’angle de phase est déterminé par la différence (h) entre le début de la mélatonine faible et la lumière faible (DLMO) et l’apparition du sommeil. Toutes les valeurs p sont FDR corrigé24. Ce tableau a été modifié, avec la permission, de Facer-Childs, et autres23.

Discussion

En raison de l’interaction complexe des influences circadiennes et dépendantes du sommeil sur le comportement, il est difficile d’explorer les contributions relatives de chacun. Les protocoles basés en laboratoire sont en grande partie irréalistes et coûteux, d’une validité externe plus faible lorsqu’ils se rapportent aux résultats quotidiensde fonctionnement 25. Par conséquent, il est de plus en plus nécessaire d’étudier les individus dans leur environnement familial afin de promouvoir la généralisation dans des contextes réels. Bien que les études sur le terrain ne permettent pas le contrôle des influences exogènes, une approche intégrée peut aider à faire la lumière sur la façon dont les facteurs biologiques et environnementaux affectent la santé, la physiologie et la performance23,26,27. Ce protocole a été conçu spécifiquement pour être en mesure de surveiller les individus dans leur environnement familial tout en suivant leurs routines habituelles. Ces protocoles d’échantillonnage de la salive ont été entrepris avec succès dans des contextes difficiles tels que l’Amazonie28 et l’Antarctique29 soutenant la facilité de mener ce protocole.

Les questionnaires sont un outil utile dans le sommeil et les études circadiennes car ils permettent un moyen rapide et simple de recueillir un large éventail d’informations. Cependant, les écarts entre les mesures subjectives et objectives peuvent créer des difficultés lorsqu’on tente d’étudier les différences individuelles. Par conséquent, être capable de recueillir plusieurs mesures subjectives et objectives peut renforcer la catégorisation des groupes circadiens de phénotype. Cette combinaison de méthodes – MCTQ, actigraphie, échantillonnage physiologique et tests de performance – a mis en évidence comment les résultats peuvent être mal interprétés si les différences individuelles dans les phénotypes circadiens ne sont pas prises en considération. La mesure de toutes ces variables fournit la catégorisation la plus fiable des groupes de phénotype circadien, cependant, il est possible de développer la méthode plus loin pour permettre moins d’exigences. Par exemple, bien que la fiabilité reste à étudier, afin de réduire le coût, les chercheurs pourraient supprimer l’étape d’échantillonnage du cortisol ou utiliser un questionnaire différent. Il convient toutefois de noter que, puisque le DLMO est un marqueur actuel de l’étalon-or pour le moment circadien et l’actigraphie est une méthode standard de surveillance des modèles de repos/activité, ce serait des variables essentielles à inclure dans les évaluations.

La planification des tests de performance en fonction des heures d’horloge au lieu de fonder les horaires par rapport à l’individu (temps biologique interne) augmente la faisabilité et permet d’appliquer le protocole dans des contextes réels. Une limitation de cette conception, cependant, est l’incapacité de déterminer l’influence du système circadien par rapport aux influences homéostatiques. Cela devient un défi car il n’y a aucun moyen de confirmer des mécanismes spécifiques contribuant aux résultats. Cependant, puisque le but de ce protocole est d’étudier ces groupes dans un scénario réel, la réduction des mécanismes dépendants du sommeil minimiserait la validité externe des résultats. On pourrait donc soutenir que l’utilisation d’une méthode intégrée est plus applicable et plus réalisable pour les études sur le terrain.

Les mesures directes de la performance sont très pertinentes pour la société, mais il semble que sans tenir compte des multiples facteurs influençants, en particulier la nécessité de regrouper les individus en fonction de leur phénotype circadien et de la pression du sommeil, les études pourraient manquer des résultats clés.

Comme nous l’avons vu, le PVT et le KSS ont été largement utilisés dans de nombreux domaines de recherche. La simplicité du PVT et la flexibilité dans la durée de la tâche en fait un test attrayant à utiliser dans les études circadiennes et de restriction du sommeil nécessitant plusieurs temps d’essai, et s’est avéré être un marqueur sensible de la privation de sommeil30,31. Bien que la précision globale des tests et les temps de réaction globaux augmentent avec la durée de la tâche, les tâches de 2 min, 5 min et 10 min PVT montrent toutes un temps similaire des relations de jour32.

Notre conception de protocole pourrait être implémentée à l’aide d’une gamme de tâches de performance différentes et à des points de temps plus fréquents si nécessaire. Des études antérieures ont montré des effets sur l’heure de la journée dans les mesures de performance physique et cognitive telles que la capacité aérobie15 et la fonction exécutive25. La mise en œuvre de ce protocole et la prise en compte des différences individuelles permettront de mieux comprendre comment étudier les mécanismes contribuant à la performance, en particulier dans des contextes plus de niche tels que les sports d’élite. En résumé, ce protocole permet une évaluation du monde réel du phénotype circadien et donne un aperçu de la façon de mesurer l’impact de l’heure de la journée sur la performance.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Ces travaux ont été soutenus par le Financement du Biotechnology and Biological Sciences Research Council (BBSRC, BB/J014532/1) et du Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC, PE/J002909/1). E.R.F.C a été soutenu par une bourse d’accélérateur du Wellcome Trust Institutional Strategic Support Fund (ISSF) (Wellcome 204846/Z/16/Z) et une subvention du gouvernement australien, du ministère de l’Industrie, de l’Innovation et de la Science (ICG000899/19/0602). Nos sincères remerciements sont à tous les participants et Stockgrand Ltd pour les réactifs d’analyse.

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
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References

  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).

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Facer-Childs, E. R., Middleton, B., Bagshaw, A. P., Skene, D. J. Human Circadian Phenotyping and Diurnal Performance Testing in the Real World. J. Vis. Exp. (158), e60448, doi:10.3791/60448 (2020).
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