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행동분석학

Human Circadian Phenotyping und Diurnal Performance Testing in der realen Welt

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

Hier stellen wir eine Methode zur Untersuchung von Tagesrhythmen in der Performance nach genauer Kategorisierung der Teilnehmer in zirkadiane Phänotypgruppen auf Basis des Münchner ChronoType-Fragebogens, Goldstandard-Zirkadianer-Phasen-Biomarker und aktiographischeN Maßnahmen vor.

Abstract

In unserer sich ständig weiterentwickelnden “rund um die Uhr” Gesellschaft ist es notwendig, unser Verständnis dafür zu verbessern, wie Veränderungen in Biologie, Physiologie und Psychologie unsere Gesundheit und Leistung beeinflussen. Eingebettet in diese Herausforderung ist die zunehmende Notwendigkeit, individuelle Unterschiede im Schlaf und zirkadiane rhythmen zu berücksichtigen, sowie die Auswirkungen der Tageszeit auf die Leistung in der realen Welt zu erforschen. Es gibt eine Reihe von Möglichkeiten, Schlaf und zirkadiane Rhythmen von subjektiven Fragebogen-basierten Methoden bis hin zu objektiver Schlaf-Wach-Überwachung, Aktigraphie und Analyse biologischer Proben zu messen. Dieses Papier schlägt ein Protokoll vor, das mehrere Techniken kombiniert, um Individuen in frühe, mittlere oder späte zirkadiane Phänotypgruppen (ECPs/ICPs/LCPs) zu kategorisieren, und empfiehlt, wie Tagialitätstests vor Ort durchgeführt werden können. Repräsentative Ergebnisse zeigen große Unterschiede in den Restaktivitätsmustern, die aus der Aktigraphie, der zirkadianen Phase (Dim-Lichtmelatonin-Beginn und Spitzenzeit der Cortisol-Erweckungsreaktion) zwischen zirkadianen Phänotypen abgeleitet wurden. Darüber hinaus unterstreichen signifikante Unterschiede in den Tagesleistungsrhythmen zwischen ECPs und LCPs die Notwendigkeit, den zirkadianen Phänotyp zu berücksichtigen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass dieses Protokoll trotz der Schwierigkeiten bei der Kontrolle von Einflussfaktoren eine reale Bewertung der Auswirkungen des zirkadianen Phänotyps auf die Leistung ermöglicht. Dieser Beitrag stellt eine einfache Methode zur Beurteilung des zirkadianen Phänotyps auf dem Gebiet dar und unterstützt die Notwendigkeit, die Tageszeit bei der Gestaltung von Leistungsstudien zu berücksichtigen.

Introduction

Auf Verhaltensebene kann die Beurteilung individueller Ruhe-/Aktivitätsmuster mit subjektiven Fragebogen-basierten Methoden oder objektiver Überwachung durch Handgelenksaktivität durchgeführt werden. Die aktographischen Daten wurden anhand der Polysomnographie (PSG) für verschiedene Schlafparameter validiert, darunter: Gesamtschlafzeit, Schlafeffizienz und Aufwachen nach Schlafbeginn1. Obwohl PSG als Goldstandard für die Schlafmessung bekannt ist, ist es schwierig, für längere Zeit außerhalb des Schlaflabors2zu verwenden. Daher sollen Aktigraphien eine einfache, kostengünstigere Alternative zu PSG bieten und die Überwachung von 24 h Ruhe-/Aktivitätsmuster ermöglichen. Subjektive Selbstberichtsmaßnahmen können den “Chronotyp” anhand des Münchner ChronoType-Fragebogens (MCTQ)3oder der Tagespräferenz mithilfe des Morningness-Eveningness Questionnaire (MEQ)4definieren. Die Gruppen an beiden Enden dieses Spektrums können als frühe zirkadiane Phänotypen (ECPs) und Späte zirkadiane Phänotypen (LCPs) bezeichnet werden, wobei die Gruppen dazwischen als Interkadianische Phänotypen (ICPs) bezeichnet werden.

Obwohl ECPs und LCPs durch ihr Verhalten (d.h. Schlaf-Wach-Muster) deutlich unterscheidbar sind, sind diese individuellen Unterschiede teilweise auch auf Variationen in physiologie5 und genetische Veranlagung6,7getrieben. Physiologische Biomarker werden oft verwendet, um die zirkadiane Phase/Timing eines Individuums zu bestimmen. Zwei der wichtigsten Hormone, die auf zirkadianes Timing hinweisen, sind Melatonin, das am Abend aufsteigt, um mitten in der Nacht einen Höhepunkt zu erreichen, und Cortisol, das am Morgen8seinen Höhepunkt erreicht. Mit diesen zirkadianen Phasenmarkern können individuelle Unterschiede in Schlaf-Wach-Mustern identifiziert werden. Zum Beispiel, dim Licht Melatonin-Beginn (DLMO)9,10 und die Zeit des Cortisol Erwachens Antwort11,12 Spitze früher in ECPs, die durch den zirkadianen Rhythmus der Kernkörpertemperatur13gespiegelt wird. Speichel ermöglicht eine einfache, sichere und nichtinvasive Sammlung, aus der diese Hormone mittels Radioimmunoassay (RIA) oder enzymgebundenem Immunsorbent Assay (ELISA) analysiert werden können, ohne dass zelluläres Material extrahiert werden muss. RIA und ELISA sind empfindliche und spezifische Assays, die Konzentrationen von Antigenen in biologischen Proben (z. B. Blut, Plasma oder Speichel) durch Antigen-Antikörper-Reaktionen mit radioaktiv markierten Isotopen (z. B. Jod (125I) oder enzymgebundene Antikörper14) erkennen.

Streng kontrollierte Laborprotokolle wie konstante Routine (CR) und erzwungene Desynchronie (FD) sind der Goldstandard im Bereich der Chronobiologie zur Untersuchung endoogener zirkadianer Rhythmen15. Es besteht jedoch ein zunehmender Bedarf, Personen in ihrer häuslichen Umgebung außerhalb künstlicher Laborumgebungen zu untersuchen, um kontextbezogene Daten zu sammeln und die externe Gültigkeit der Ergebnisse zu erhöhen. Daher benötigen wir bessere Möglichkeiten, individuelle Unterschiede im Feld zu kategorisieren, zu messen und zu bewerten. Darüber hinaus wurden tagesweise Variationen in verschiedenen Messungen der körperlichen (aerobe Kapazität, Muskelkraft) und kognitive (Reaktionszeit, anhaltende Aufmerksamkeit, Exekutivfunktion) Leistung aufgedeckt mit ECPs besser am Tag und LCPs am Abend16,17. Dies betont, dass Tageszeit und zirkadianer Phänotyp Faktoren sein sollten, die bei der Durchführung von Leistungstests in Forschungsstudien berücksichtigt werden.

Die Anzahl der verschiedenen Maßnahmen und Protokolle, die in Laborstudien verwendet werden, ermöglicht die Umsetzung hochkontrollierter Bedingungen. Feldstudien sind aufgrund der Anzahl der Einflussfaktoren tendenziell schwieriger. Daher kann die Verwendung eines ganzheitlicheren Ansatzes durch die Kombination mehrerer Techniken für mehr Genauigkeit bei der Überwachung des Verhaltens, der Psychologie und der Leistung einer Person in ihrer häuslichen Umgebung sorgen18. Hier diskutieren wir eine Methode, die leicht im Feld implementiert werden kann, um individuelle Unterschiede in zirkadianen Phänotypen mit dem MCTQ, der Aktigraphie und physiologischen Biomarkern zu identifizieren. Wir gehen davon aus, dass sich diese Variablen zwischen zirkadianen Phänotypgruppen erheblich unterscheiden und signifikant mit dem Chronotyp korrelieren (= korrigierter Mittelschlaf an freien Tagen (MSFsc), die aus dem MCTQ gesammelt wurden). Darüber hinaus schlagen wir Möglichkeiten zur Messung der Tagesleistung vor, wobei die Notwendigkeit hervorgehoben wird, Daten für jede zirkadiane Phänotypgruppe separat zu analysieren. Wir gehen davon aus, dass Unterschiede in den Tagesleistungsrhythmen verschleiert werden, wenn Die Daten nur auf der gesamten Bevölkerungsebene analysiert werden.

Protocol

Alle hier beschriebenen Methoden wurden von der University of Birmingham Research Ethics Committee genehmigt. 1. Teilnehmerscreening und experimentelles Design Führen Sie alle Methoden nach den entsprechenden ethischen Genehmigungen gemäß der Erklärung von Helsinki durch und erhalten Sie vor jeder Beteiligung schriftliche Informierteeingaben von allen Teilnehmern. Rekrutieren Sie Teilnehmer ohne vorherige Diagnose von Schlaf, neurologischen oder psychiatrischen Störungen, und ohne Einnahme von Medikamenten, die Schlaf, Melatonin oder Cortisol-Rhythmus beeinflussen. Stellen Sie sicher, dass keine Teilnehmer Schichtarbeiter sind, die Teilnehmer haben nicht mehr als zwei Zeitzonen innerhalb des letzten Monats bereist und sie können an der Studie teilnehmen (d. h. in der Lage sein, sich zu verpflichten, die Actiwatch zu tragen, Speichelproben an einem “freien Tag” zu geben und zu bestimmten Zeiten für Leistungstests anwesend zu sein (siehe Abschnitt 2.1).). Teilnehmer, die Inklusionskriterien bestehen, sollen an einer ersten Einrichtungsbesprechung teilnehmen, um Zustimmung zu erhalten, Fragebogendaten zu sammeln, eine Schulung zum Sammeln von Speichelproben zu Hause zu erhalten und mit einem aktographischen Gerät und Schlaftagebuch eingerichtet zu werden. Machen Sie bei diesem Treffen die Teilnehmer mit den physiologischen Probenahmeprotokollen vertraut, um sicherzustellen, dass sie verstehen, was erforderlich ist (siehe Abschnitt 3). Bitten Sie die Teilnehmer, den Munich ChronoType Questionnaire (MCTQ) auszufüllen, der individuelle Unterschiede bei Schlaf-/Wachvariablen und Lichteinwirkung bei Arbeit und freien Tagen3bewertet. Dies ermöglicht die Berechnung der korrigierten Mid-Sleep-Zeiten an freien Tagen (MSFsc), die als Marker des Chronotyps verwendet werden. 2. Aktigraphie und Schlaftagebücher Für mindestens zwei Wochen19 (kann längere Zeiträume je nach Studienziel sein), bitten die Teilnehmer, einen Handgelenk-Aktivitätsmonitor oder “Aktigraph” zu tragen, Ruhe-/Aktivitätsmuster und Lichtdaten (1-32.000 Lux) während des gesamten Studienzeitraums zu sammeln. Geben Sie jedem Teilnehmer Einzelheiten über die Verwendung der Aktigraphen mit, einschließlich des Entfernens zum Baden/Duschen (wenn nicht wasserdicht) und der Verhinderung von Hülsen, die sie abdecken, damit Lichtdaten gesammelt werden können. Stellen Sie sicher, dass Aktigraphen am nicht-dominanten Handgelenk getragen werden. In Kombination mit der Aktigraphie und zur Erleichterung der aus den aktigraphischen Daten abgeleiteten Schlaf-Wach-Analyse geben Sie jedem Teilnehmer ein Schlaftagebuch, das er täglich ausfüllen kann. Stellen Sie sicher, dass die gestellten Fragen Schlafzeiten, Schlafzeiten, nächtliche Serweckungen, Wachzeiten, Schlafqualität, Nickerchen und Zeiten, in denen Aktigraphen entfernt wurden, umfassen. Sammeln Sie Aktigraphie-Daten für die Ruhe-/Aktivitätsanalyse, die die Parameter entsprechend dem Erforderlichen ausgibt (diese Studie verwendete eine 30Hz-Sampling-Frequenz und eine mittlere Empfindlichkeitseinstellung). Extrahieren Sie Details der täglichen Schlafenszeit und erhalten Sie die Zeiten aus Schlaftagebüchern und Eingabe in die Software des Herstellers oder alternative (z. B. Open Source validierter Code, um aktigraphische Variablen zu erhalten, die für die Studie relevant sind). 3. Physiologische Probenahme Bereiten Sie Probenahmepackungen vor, indem Sie Polypropylen-Sammelrohre oder Salivettes etikettieren (in dieser Studie 7 ml Kunststoffbijous verwenden). Beschriften Sie die Tuben mit Teilnehmer-ID-Nummer, Morgens oder Abend und individuellen Stichprobennummern. Fügen Sie eine “Ersatz”-Röhre ein, die sie im Falle von Fehlern verwenden können. Erstellen Sie ein Mustersammlungsprotokoll für die Protokolle am Morgen und am Abend, damit die Teilnehmer bei der Entnahme von Proben einen Zeitstempel erstellen können (z. B. Morgenprobe 1, Zeitaufnahme = hh:mm, Morgenprobe 2, Zeitentnahme = hh:mm). Geben Sie die Teilnehmer-ID-Nummer, das Datum für saisonale Informationen und den Ort für die Berechnung der Fotoperiode an.HINWEIS: Es ist entscheidend, dass militärische Zeit verwendet wird, um sicherzustellen, dass es keine Probleme mit AM/PM gibt. Verschiedene farbige Etiketten für morgendliche vs. abendliche Probenahmeröhrchen können auch verwendet werden, um zwischen Proben zu unterscheiden. Geben Sie den Teilnehmern während des Trainings die entsprechenden Protokolle für physiologische Probenahmen und vorgefertigte Packungen, wie Speichelproben in ihrer häuslichen/beruflichen Umgebung entnommen werden. Informieren Sie den Teilnehmer, dass Proben an einem freien Tag gesammelt werden müssen, wenn die Teilnehmer zu bevorzugten Zeiten (d.h. ohne Alarm) ins Bett gehen und aufwachen können. Um eine zuverlässige Berechnung der DLMO zu gewährleisten, sollten die Teilnehmer das protokoll über die abendliche Speichelprobe nicht am Tag vor den Leistungstests durchführen, da sie nach der üblichen Schlafenszeit wach bleiben müssen. Bitten Sie die Teilnehmer, einen Morgen und einen Abend (am selben Tag) in Woche zwei der Studie zuzuweisen, wenn sie in der Lage sind, sich zu verpflichten, die Speichelproben abzugeben. Weisen Sie die Teilnehmer an, morgendliche Proben zu sammeln, gefolgt von Abendproben am selben Tag.HINWEIS: Die Reihenfolge der Probenahme (morgens und abends) muss befolgt werden, um sicherzustellen, dass Änderungen des Schlafzeitpunkts keine Auswirkungen auf die Ergebnisse haben (wenn Abendproben genommen werden, die zuerst ein Wachleben nach der üblichen Schlafenszeit erfordern, könnte dies die Morgenproben beeinflussen, wenn sie am nächsten Tag genommen werden). MorgenProbenahme-Protokoll für Cortisol-Erwachen-Reaktion Stellen Sie sicher, dass Speichelproben beim ersten Aufwachen (während noch im Bett), alle 15 minuten für die erste Stunde und dann alle 30 min für die nächsten 1 bis 2 h gesammelt werden. Sammeln Sie Speichelproben, indem Sie in die entsprechend gekennzeichnete Durchstechflasche spucken (ab Nr. 1, 2, 3 usw.). Während dieser Zeit stellen Sie sicher, dass die Teilnehmer: verzichten Sie auf alkoholische Getränke, Getränke mit künstlicher Färbung und Lebensmittel für die Dauer der Prüfung und verzichten Sie auf die Reinigung der Zähne, mit oder ohne Zahnpasta während der Probenahmezeit. Sobald alle Proben zur Verfügung gestellt wurden, stellen Sie sicher, dass die Teilnehmer ihre Proben bei -20 °C in ihrem Gefrierschrank aufbewahren, bis sie vom Forschungsteam entnommen werden.HINWEIS: Es ist am besten, die Proben gefroren zu speichern, wenn möglich, aber sie bleiben lebensfähig, wenn sie im Kühlschrank bis zur Abholung am nächsten Tag gelagert. Nach dem Human Tissue Act (HTA) 2004 müssen Proben innerhalb von sieben Tagen nach der Entnahme gesammelt und verarbeitet werden, um sie azellulär zu machen, es sei denn, die Institution, die die Analyse durchführt, besitzt eine HTA-Lizenz. Abend-Probenahme-Protokoll für dim licht Melatonin-Beginn Stellen Sie sicher, dass Speichelproben alle 30 min von 3 bis 4 h vor dem üblichen Schlafengehen bis 1 bis 2 h nach dem üblichen Schlafengehen entnommen werden (z. B. wenn die gewöhnliche Schlafenszeit 22:00 h beträgt, beginnt der Teilnehmer um 18:00/19:00 h bis 23:00/00:00 h). Sammeln Sie Speichelproben, indem Sie in die entsprechend gekennzeichnete Durchstechflasche spucken (beginnend mit Nr. 1 und dann 2, 3 usw.). Während dieser Zeit stellen Sie sicher, dass die Teilnehmer: verzichten auf koffeinhaltige Getränke (z. B. Tee, Kaffee, Coca-Cola) ab 6 h vor dem üblichen Schlafengehen (z. B. wenn die gewöhnliche Schlafenszeit 22:00 h beträgt, sollte der Koffeinkonsum am Tag der Abholung um 16:00 Uhr aufhören). Achten Sie darauf, dass die Teilnehmer drinnen bei dunkelem Licht sitzen bleiben (< 10 Lux, z.B. eine einzelne Tischleuchte vorzugsweise rotes Licht, auf der anderen Seite des Raumes, keine Oberlichter, keine elektronischen Bildschirme, geschlossene Vorhänge). Achten Sie darauf, dass die Teilnehmer Alkohol- oder künstliche Farbstoffe nicht trinken und während der Probenahme nicht mit oder ohne Zahnpasta zähneknirschen. Wenn die Teilnehmer etwas essen möchten, auf die Toilette gehen oder ein nicht koffeinhaltiges Getränk machen möchten, stellen Sie sicher, dass sie dies sofort nach der Entnahme einer Probe tun und versuchen, 15 Min. wieder sitzen zu bleiben, bevor die nächste Probe gesammelt werden soll. Wenn Zwischen den Proben Lebensmittel verzehrt werden, stellen Sie sicher, dass die Teilnehmer 15 min vor der Entnahme der nächsten Probe den Mund mit Wasser auswaschen. Stellen Sie sicher, dass alle anderen Räume die gleichen Lichtverhältnisse haben, so dass der Teilnehmer für die Dauer der Probenahmeperiode im abgesteilen Licht (vorzugsweise rotes Licht) bleibt. Sobald alle Proben zur Verfügung gestellt wurden, stellen Sie sicher, dass die Teilnehmer ihre Proben bei -20 °C in ihrem Gefrierschrank aufbewahren, bis sie vom Forschungsteam entnommen werden.HINWEIS: Es ist wichtig, dass die Teilnehmer sich an das Dim Light-Protokoll halten. Wenn möglich, sollten die Forscher die Lichtverhältnisse messen, um Intensität und spektrale Zusammensetzung zu überwachen. 4. Radioimmunoassay Führen Sie RIA oder ELISA von Melatonin und Cortisol im menschlichen Speichel durch, um die relativen Konzentrationen zu jedem Zeitpunkt zu bestimmen.HINWEIS: Das Verfahren in diesen repräsentativen Ergebnissen verwendet RIA mit einem Jod (125I) radioaktiven markierten Tracer und Feste Phase Trennung. Dieses Protokoll wird routinemäßig im Chronobiology Laboratory, University of Surrey, UK20eingesetzt. Berechnen Sie einzelne DLMOs als Zeitpunkt, zu dem die Melatoninkonzentration zwei Standardabweichungen der drei Basismaße (die ersten drei Stichproben) überschreitet.ANMERKUNG: Diese Methode passt sich den individuellen Basisdifferenzen im Vergleich zur Verwendung einer Pauschalkonzentrationvon 14an. Je nach den bei der Probenahme verwendeten Zeitpunkten können andere Methoden verwendet werden (z. B. über einen Zeitraum von 24 h für ein vollständiges Profil14). Berechnen Sie den Cortisol-Peak als die Zeit der höchsten Cortisolkonzentration, die während der morgendlichen Cortisol-Erweckungsreaktion aufgezeichnet wurde. 5. Diurnalleistungsprüfung HINWEIS: Die Maßnahmen, die in diesem Protokoll verwendet wurden, sind die Psychomotorische Wachsamkeitsaufgabe (PVT)21und die Karolinska Schläfrigkeitsskala (KSS)22. Allerdings könnten andere Tests verwendet werden, die das gleiche Design in Abhängigkeit vom Ziel der Studie beibehalten (z. B. wenn die Studie die Auswirkungen des zirkadianen Phänotyps auf das Arbeitsgedächtnis untersucht, wäre eine Speicheraufgabe erforderlich). Bitten Sie die Teilnehmer, in der Woche vor dem Test mindestens eine Übungsstudie (je nach Aufgabe) durchzuführen, um sich mit der Einrichtung vertraut zu machen.HINWEIS: Praxisversuche können aus der Ferne durchgeführt werden, wenn sie überwacht werden. Die Anzahl der Praxistests sollte auf die in der Studie verwendeten Aufgaben zugeschnitten werden. Beispielsweise kann eine komplexere Aufgabe für Führungsaufgaben eine Reihe von Übungstests erfordern, um ein Plateau im Vergleich zu einer einfacheren Aufgabe zu erreichen. Ordnen Sie Testsitzungen gemäß den Studienhypothesen basierend auf der Anzahl der Zeitpunkte an, die zu bestimmten Uhrzeiten untersucht werden.HINWEIS: Je nach Studiendesign können Leistungstests zu Hause oder im Labor durchgeführt werden. Aufgrund des zeitkritischen Charakters des Protokolls muss bei Leistungstests in der häuslichen Umgebung die Einhaltung überwacht werden, um sicherzustellen, dass die Teilnehmer dies selbst durchführen, und zeit- und datumsabhängig sind. Führen Sie Tests auf einem relevanten Gerät durch (diese Studie verwendet einen DQ67OW, i7-2600 Prozessor, 4 GB RAM, 32-Bit-Desktop mit einer Standardtastatur und -maus).HINWEIS: Wenn ein Laptop, ein iPad oder ein anderes Gerät zum Testen benötigt wird, stellen Sie sicher, dass während der gesamten Studie für alle Teilnehmer und jede Testsitzung das gleiche Gerät und die gleichen Einstellungen verwendet werden, da die Antworten von einer Maus im Vergleich zum Touchscreen variiert werden. 6. Analyse Kategorisieren Sie zirkadiane Phänotypgruppen basierend auf ihrem Wert für die fünf gesammelten Variablen: MSFsc, Aufwachzeit, Spitzenzeit der Cortisol-Erweckungsreaktion, DLMO und Schlafbeginn (Abschnitte sind in Tabelle 1angegeben). Weisen Sie jedem Teilnehmer eine Punktzahl pro Variable zu. Eine Variable wird 0 zugewiesen, wenn sie sich in der ECP-Kategorie befindet, 1, wenn sie sich in der ICP-Kategorie und 2 in der LCP-Kategorie befindet. Wenn sich ein Teilnehmer beispielsweise für alle Variablen in der LCP-Kategorie befindet, würde er eine Punktzahl von 10 ansammeln. Von einer Gesamtpunktzahl von 0-10 identifizieren Teilnehmer als ECPs (0-3), ICPs (4-6) und LCP (7-10). Aus der Gesamtpunktzahl können Unterkategorien zirkadianischer Phänotypen wie folgt bestimmt werden: 0 = extremes ECP, 1 = definitives ECP, 2 = moderates ECP, 3 = mildes ECP, 4 = frühes ICP, 5 = ICP, 6 = spätes ICP, 7 = mildes LCP, 8 = moderates LCP, 9 = definitiv.HINWEIS: Die statistische Analyse sollte auf der Grundlage der Forschungsfragen für einzelne Studien ermittelt werden. Nicht-parametrische Tests sollten verwendet werden, wenn die Daten keiner Normalverteilung folgen. Post-hoc-Tests sollten ausgeführt werden, um die Zeit der Tageseffekte zu bestimmen. Bei der Messung einer Reihe von Parametern sollten weitere Korrekturen von Mehrfachvergleichen vorgenommen werden (z.B. FDR-Korrektur von p-Werten).

Representative Results

Diese Ergebnisse in ECPs und LCPs wurden zuvor von Facer-Childs, Campos, et al.23veröffentlicht. Alle Berechtigungen wurden vom Herausgeber abgerufen. Für Studien, die eine Untersuchung aller drei Gruppen (Früh, Mittelunden und Spät) erfordern, können die gleichen Methoden und Abschnitte verwendet werden. Circadian Phenotyping (Tabelle 1, Tabelle 2 und Abbildung 1)Die erste Hypothese, die in diesem Papier vorgestellt wird, ist, dass sich die Gruppen in Schlaf- und zirkadianen Variablen erheblich unterscheiden würden. Von den Teilnehmern (n = 22), die an dieser Studie teilnahmen, hatten diejenigen, die als ECPs kategorisiert wurden, einen Wert zwischen 0-1 und alle LCPs zwischen 8-10 (Schnitte in Tabelle 1). Um diese Ergebnisse zu bestätigen, wurden Gruppendurchschnitte für jede Variable verglichen. MSFsc war 02:24 x 00:10 h für ECPs im Vergleich zu 06:52 x 00:17 h in LCPs (t(36) = 12,2, p < 0,0001). Physiologische Marker unterschieden sich auch signifikant zwischen den beiden Gruppen. DLMO trat bei 20:27 x 00:16 h in ECPs und bei 23:55 x 00:26 h in LCPS (t(30) = 6,8, p < 0,0001) auf. Die Spitzenzeit der Cortisol-Erweckungsreaktion trat um 07:04 uhr bei ECPs um 00:16 uhr und bei CCP um 11:13 uhr bei 00:23 h (t(36) = 8,0, p < 0,0001) auf. Die gleichen Beziehungen wurden mit aktographischen Variablen für Schlafbeginn und Weckzeiten beobachtet, wobei der durchschnittliche Schlafbeginn um 22:57 uhr bei ECPs und 02:27 bei 00:19 h bei LCPs (t(34) = 8,9, p < 0.0001) und Aufwachzeit um 06:33 bei 0,10 h in ECPs und 10:13 bei 00:18 h in LCPs (t(34) = 9,9, p < 0,0001). Andere Schlafvariablen wie Dauer, Effizienz und Latenz unterschieden sich zwischen den Gruppen nicht signifikant (Tabelle 2). Die zweite Hypothese ist, dass MSFsc aus dem MCTQ gesammelt würde signifikant mit dem GoldStandard aktigraphischen und zirkadianen Phase Biomarker korreliert werden. Abbildung 1 zeigt, dass MSFsc signifikant mit DLMO korreliert war (R2 = 0,65, p < 0.0001), Spitzenzeit der Cortisol-Erweckungsreaktion (R2 = 0,75, p < 0,0001), Schlafbeginn (R2 = 0,80, p < 0,0001) und Aufwachzeit (R2 = 0,86, p < 0,0001). Diese repräsentativen Ergebnisse zeigen, dass die verschiedenen zirkadianen Phänotypgruppen deutliche Unterschiede im Schlafbeginn/-offset (d. h. der Aufwachzeit) sowie bei physiologischen Variablen (DLMO und Spitzenzeit des morgendlichen Cortisols) aufweisen. Tagderprüfung (Abbildung 2)Es wurde vermutet, dass durch mehrfache Tests im Laufe des Tages, tagestägliche Rhythmen in subjektiver Schläfrigkeit und Leistung in jeder Gruppe identifiziert werden können (ECPs/LCPs). Darüber hinaus wurde vermutet, dass, wenn zirkadiane Phänotypen nicht berücksichtigt würden und Daten nur auf einer ganzen Gruppenebene analysiert würden, die Tagesvariationen falsch dargestellt würden. Auf der gesamten Gruppenebene wurden signifikante Tagesschwankungen für PVT und KSS festgestellt. Die PVT-Leistung bei der 08:00-H-Testsitzung war deutlich langsamer als der 14:00-H-Test(p = 0,027), ebenso wie die subjektive Schläfrigkeit (p = 0,024). Deutlich langsamer wurde auch die PVT-Leistung zwischen 08:00 uhr und 20:00 h(p = 0,041) gefunden. Wenn jede Gruppe separat analysiert wurde, wurden signifikante Tagesschwankungen in der PVT-Leistung in LCPs gefunden, aber nicht in ECPs. DIE LCPs waren um 08:00 Uhr deutlich schlechter als um 14:00 Uhr(p = 0,0079) und besser um 20:00 Uhr im Vergleich zu 08:00 h(p = 0,0006). Subjektive Schläfrigkeit zeigte signifikante Tagesschwankungen innerhalb jeder Gruppe. ECPs berichteten eine höhere Schläfrigkeit um 20:00 h im Vergleich zu 08:00 h(p = 0,0054). Das Gegenteil wurde bei LCPs beobachtet, die die höchste Schläfrigkeit um 08:00 Uhr und die niedrigste um 20:00 h meldeten. Die Schläfrigkeit um 08:00 Uhr war deutlich höher als 14:00 h und 20:00 h bei LCPs (beide p < 0.0001). Abbildung 1: Lineare Regressionsanalyse zur Anzeige von Beziehungen zwischen Schlaf-Wach-Variablen mithilfe von Aktigraphie und physiologischen Biomarkern. Der korrigierte Halbschlaf an freien Tagen (MSFsc) wird als Tageszeit (h) auf der x-Achse angezeigt. Frühe zirkadiane Phänotypen (ECPs) werden in der blauen Box, Späte zirkadiane Phänotypen (LCPs) im roten Kasten gezeigt. (a) Spitzenzeit der Cortisol-Erweckungsreaktion (h), (b) Weckzeit (h), (c) Dim light melatonin onset (DLMO) (h), (d) Schlaf-Beginnzeit (h). DerR2-Wert wird in der unteren rechten Ecke mit dem Signifikanzniveau angezeigt, das bei **** = p < 0.0001 angezeigt wird. Diese Zahl wurde mit Genehmigung von Facer-Childs, et al.23geändert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen. Abbildung 2: Diurnale Variationen Kurven in Karolinska SchläfrigkeitSkala und Psychomotorische Wachsamkeit Sitten (PVT) Leistung. Die Tageszeit (h) wird auf der x-Achse angezeigt. Die Ergebnisse der ganzen Gruppe werden in der ersten Spalte, frühe zirkadiane Phänotypen (ECPs) in der zweiten Spalte und Späte zirkadiane Phänotypen (LCPs) in der dritten Spalte angezeigt. (a) Subjektive Schläfrigkeit (KSS) Punktzahl, (b) Reaktionszeit von PVT (s). Polynom-Regressionskurven zweiter Ordnung wurden angepasst. Die Signifikanzstufe wird als ns (nicht signifikant), * (p < 0,05), **(p < 0,01), *** (p < 0,001) und **** (p < 0,0001) angezeigt. Diese Zahl wurde mit Genehmigung von Facer-Childs, et al.23geändert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen. Variable gemessen ECP-Kategorie ICP-Kategorie LCP-Kategorie Aktigraphische Weckzeit < 07:30 h 07:31 – 08:29 Uhr > 08:30 h Spitzenzeit des morgendlichen Cortisols < 08:00 08:01 – 08:59 Uhr > 09:00 h Dim-Licht-Melatonin-Beginn (DLMO) < 21:30 h 21:31 – 22:29 h > 22,30 h Aktigraphischer Schlafbeginn < 23:30 h 23:31 – 00:29 h > 00:30 h Korrigierter Mittelschlaf an freien Tagen (MSFsc) < 04:00 h 04:01 – 04:59 Uhr > 05:00 h Ergebnis pro Variable 0 1 2 GESAMTPUNKTZAHL 0 – 3 4 – 6 7 – 10 Unterkategorie 0 = extremer ECP1 = definitiv ECP2 = moderate ECP3 = mildes ECP 4 = frühes ICP5 = ICP6 = spätes ICP 7 = mildel LCP8 = moderate LCP9 = definitiv LCP10 = extremer LCP Tabelle 1: Kategorisierungsabschnitte für zirkadiane Phänotypisierung in frühe (ECP), Intermediate (ICP) und Late (LCP) Gruppen. Jeder Variablen wird je nach Ergebnis eine Punktzahl pro Teilnehmer zugewiesen, und die Gesamtpunktzahl (0-10) ermöglicht die Kategorisierung in jede Gruppe und jede Unterkategorie. Variable Gemessen ECPs LCPs Bedeutung Beispielgröße N = 16 N = 22 k.A. Anzahl der Männchen/Frauen M = 7 M = 7 p = 0,51c F = 9 F = 15 Alter (Jahre) 24,69 € 4,60 21,32 bis 3,27 Jahre p = 0,028a Höhe (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 uhr bis 00:10 Uhr 06:52 bei 00:17 p < 0,0001a Schlafeinsete (hh:mm) 22:57 uhr bis 00:10 Uhr 02:27 bei 00:19 Uhr p < 0,0001a Weckzeit (hh:mm) 06:33 € 0,10 10:13 uhr bei 00:18 Uhr p < 0,0001a Schlafdauer (h) 7,59 € 0,18 7,70 x 0,14 p = 0,72a Schlafeffizienz (%) 79,29 € 1,96 77,23 € 1,14 p = 0,46a Schlafeinschlaf Latenz (hh:mm) 00:25 uhr bis 00:06 Uhr 00:25 uhr bis 00:03 Uhr p = 0,30b Phasenwinkel (hh:mm) 02:28 bei 00:16 Uhr 02:34 uhr bis 00:18 Uhr p = 0,84a Dim Light Melatonin Onset (hh:mm) 20:27 uhr bei 00:16 Uhr 23:55 uhr bei 00:26 Uhr p < 0,0001a Cortisol Spitzenzeit (hh:mm) 07:04 bis 00:16 Uhr 11:13 uhr bei 00:23 Uhr p < 0,0001a Tabelle 2: Studienvariablen für zirkadiane Phänotypgruppen; Früh (ECPs) und Spät (ÖPP). Die Werte werden als Mittelwert angezeigt, abgesehen vom Alter, das als Mittelwert sD dargestellt wird. Korrigierter Mittelschlaf an freien Tagen (MSFsc) wird aus dem MCTQ berechnet. Art der verwendeten statistischen Tests werden in Hochschrift dargestellt; parametrische Testsa, nicht-parametrische Testsb und Fishers exakter Testc. Der Phasenwinkel wird durch den Unterschied (h) zwischen dem Dim-Licht-Melatonin-Beginn (DLMO) und dem Schlafbeginn bestimmt. Alle p-Werte sind FDR-korrigiert24. Diese Tabelle wurde mit Genehmigung von Facer-Childs, et al.23geändert.

Discussion

Aufgrund der komplexen Wechselwirkung von zirkadianen und schlafabhängigen Einflüssen auf das Verhalten ist die Erforschung der relativen Beiträge jedes einzelnen eine Herausforderung. Laborbasierte Protokolle sind weitgehend unrealistisch und teuer und haben daher eine schlechtere externe Gültigkeit, wenn sie Ergebnisse auf die alltägliche Funktion beziehen25. Daher besteht ein zunehmender Bedarf, Einzelpersonen in ihrem häuslichen Umfeld zu untersuchen, um die Verallgemeinerung der realen Kontexte zu fördern. Obwohl Feldstudien die Kontrolle exogener Einflüsse nicht zulassen, kann ein integrierter Ansatz dazu beitragen, aufzuklären, wie sich biologische und ökologische Faktoren auf Gesundheit, Physiologie und Leistung auswirken23,26,27. Dieses Protokoll wurde speziell entwickelt, um Personen in ihrer häuslichen Umgebung überwachen zu können, während sie ihren gewohnten Routinen folgen. Diese Speichelprobenprotokolle wurden erfolgreich in anspruchsvollen Umgebungen wie dem Amazon28 und demAntarktis-29 durchgeführt, die die einfache Durchführung dieses Protokolls unterstützen.

Fragebögen sind ein nützliches Werkzeug in Schlaf- und circadianen Studien, da sie eine schnelle und einfache Möglichkeit ermöglichen, eine breite Palette von Informationen zu sammeln. Unterschiede zwischen subjektiven und objektiven Maßnahmen können jedoch zu Schwierigkeiten bei der Untersuchung individueller Unterschiede führen. Daher kann die Möglichkeit, mehrere subjektive und objektive Maßnahmen zu sammeln, die Kategorisierung zirkadischer Phänotypgruppen verstärken. Diese Kombination von Methoden – MCTQ, Aktigraphie, physiologische Probenahme und Leistungstests – hat gezeigt, wie Ergebnisse fehlinterpretiert werden können, wenn individuelle Unterschiede in zirkadianen Phänotypen nicht berücksichtigt werden. Das Messen all dieser Variablen bietet die zuverlässigste Kategorisierung zirkadischer Phänotypgruppen, es besteht jedoch das Potenzial, die Methode weiter zu entwickeln, um weniger Anforderungen zu ermöglichen. Obwohl beispielsweise die Zuverlässigkeit noch untersucht werden muss, um die Kosten zu senken, könnten die Forscher den Cortisol-Probenahmeschritt entfernen oder einen anderen Fragebogen verwenden. Es wäre jedoch erwähnenswert, dass, da DLMO ein aktueller Goldstandardmarker für zirkadianes Timing ist und Aktigraphie eine Standardmethode zur Überwachung von Ruhe-/Aktivitätsmustern ist, dies wesentliche Variablen wäre, die in die Bewertungen aufgenommen werden sollten.

Die Planung von Leistungstests basierend auf Uhrzeiten anstelle von Timings relativ zur individuellen (internen biologischen Zeit) erhöht die Machbarkeit und ermöglicht die Anwendung des Protokolls in realen Umgebungen. Eine Einschränkung dieses Designs ist jedoch die Unfähigkeit, den Einfluss des zirkadianen Systems gegen heimostatische Einflüsse zu bestimmen. Dies wird zu einer Herausforderung, da es keine Möglichkeit gibt, spezifische Mechanismen zu bestätigen, die zu den Ergebnissen beitragen. Da der Zweck dieses Protokolls jedoch darin besteht, diese Gruppen in einem realen Szenario zu untersuchen, würde die Reduzierung der schlafabhängigen Mechanismen die externe Gültigkeit der Ergebnisse minimieren. Es könnte daher argumentiert werden, dass die Anwendung einer integrierten Methode für Feldstudien anwendbarer und praktikabler ist.

Direkte Leistungsmessungen sind für die Gesellschaft sehr relevant, aber es scheint, dass Studien ohne Berücksichtigung der vielfältigen Einflussfaktoren, insbesondere der Notwendigkeit, Individuen nach ihrem zirkadianen Phänotyp und Schlafdruck zu gruppieren, wichtige Ergebnisse vermissen könnten.

Wie bereits erwähnt, sind PVT und KSS in vielen Forschungsbereichen weit verbreitet. Die Einfachheit des PVT und die Flexibilität der Aufgabendauer macht es zu einem attraktiven Test in circadianen und Schlafeinschränkung Studien, die mehrere Testzeiten erfordern, und hat sich als ein empfindlicher Marker für Schlafentzug30,31. Obwohl die Testgenauigkeit und die Gesamtreaktionszeiten mit der Taskdauer zunehmen, zeigen die PVT-Aufgaben 2 min, 5 min und 10 min alle eine ähnliche Tageszeit32.

Unser Protokolldesign könnte mit einer Reihe unterschiedlicher Leistungsaufgaben und bei Bedarf häufigeren Zeitpunkten implementiert werden. Frühere Studien haben Zeit der Tageseffekte sowohl in körperlichen als auch kognitiven Leistungsmetriken wie aerobe Kapazität15 und Executive Function25gezeigt. Die Implementierung dieses Protokolls und die Berücksichtigung individueller Unterschiede wird das Verständnis dafür verbessern, wie die Mechanismen untersucht werden können, die zur Leistung beitragen, insbesondere in Nischenumgebungen wie Elitesportarten. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass dieses Protokoll eine reale Bewertung des zirkadianen Phänotyps ermöglicht und einen Einblick in die Messung der Auswirkungen der Tageszeit auf die Leistung bietet.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Diese Arbeit wurde durch Fördermittel des Biotechnology and Biological Sciences Research Council (BBSRC, BB/J014532/1) und des Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC, EP/J002909/1) unterstützt. E.R.F.C wurde von einem Wellcome Trust Institutional Strategic Support Fund (ISSF) Scheme Accelerator Fellowship (Wellcome 204846/Z/16/Z) und einem Stipendium der australischen Regierung, Department of Industry, Innovation and Science (ICG000899/19/0602) unterstützt. Unser aufrichtiger Dank gilt allen Teilnehmern und Stockgrand Ltd für Assay-Reagenzien.

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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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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