בדיקות ביצועים של מעגלי האדם בעולם האמיתי
Summary
כאן, אנו מציגים שיטה לחקור מקצבים יומי בביצועים בעקבות סיווג מדויק של המשתתפים לתוך הקבוצות מעגליות פניטיפ מבוסס על שאלון ChronoType מינכן, מעגלי הזהב בשלב ביולוגי הפאזה ואמצעים האקטגרפיים.
Abstract
במהלך הפיתוח התמידי שלנו בחברת השעון, יש צורך להגדיל את ההבנה שלנו כיצד שינויים בביולוגיה, פיזיולוגיה ופסיכולוגיה משפיעים על הבריאות והביצועים שלנו. מוטבע בתוך אתגר זה, הוא הצורך הגובר לחשבון על הבדלים בודדים בקצב שינה ומעגליות, כמו גם לחקור את ההשפעה של הזמן של היום על הביצועים בעולם האמיתי. ישנן מספר דרכים למדוד שינה ומקצבים מעגליות מתוך שיטות סובייקטיבית מבוססי שאלון לפיקוח על שינה/התעוררות אובייקטיבי, וניתוח של דגימות ביולוגיות. נייר זה מציע פרוטוקול המשלב טכניקות מרובות כדי לסווג אנשים לקטגוריות מוקדמות, ביניים או מאוחר באופן מעגלי (ecps/icps/lcps) וממליץ כיצד לבצע בדיקות ביצועים יומי בתחום. התוצאות הייצוגיות מציגות הבדלים גדולים בדפוסי פעילות המנוחה הנגזרים מהאקטגרפיה, שלב האחראי (עמום אור מלטונין וזמן שיא של תגובה להתעוררות הקורטיזול) בין פנוטיפים מעגליות. בנוסף, הבדלים משמעותיים בקצב הביצועים יומי בין ecps ו-lcps מדגיש את הצורך לחשבון עבור מעגליות פנוטיפים. לסיכום, למרות הקשיים בשליטה על גורמים המשפיעים, פרוטוקול זה מאפשר הערכה של העולם האמיתי של ההשפעה של מעגליות פנוטיפ ביצועים. נייר זה מציג שיטה פשוטה להעריך את הפנטיפים בתחום ותומך בצורך לשקול את הזמן של היום בעת עיצוב לימודי ביצועים.
Introduction
ברמה התנהגותית, הערכת דפוסי מנוחה בודדים/פעילות ניתן לעשות באמצעות שיטות סובייקטיבית מבוססי שאלון או ניטור אובייקטיבי באמצעות אקטגרפיה פרק כף היד. נתונים actigraphic אומתו נגד פוליסומגרפיה (PSG) עבור פרמטרי שינה שונים כולל: זמן השינה הכולל, יעילות השינה והתעוררות לאחר תחילת השינה1. למרות PSG ידוע כתקן הזהב למדידת שינה, הוא מאתגר להשתמש לתקופות ממושכות מחוץ המעבדה לשינה2. לכן, האקטגרפים נועדו לספק חלופה פשוטה, חסכונית יותר PSG ולאפשר ניטור של 24 h מנוחה/פעילות דפוס. סובייקטיבית מדדים בדוח עצמי יכולים להגדיר את ‘ chronotype ‘ באמצעות שאלון מינכן chronotype (mctq)3, או יומי העדפה באמצעות שאלון מבוקר-Eveningness (meq)4. הקבוצות בשני הצדדים של הספקטרום הזה ניתן להתייחס כפנוטיפים מוקדמים (ECPs) ופנוטיפים של מעגלי מאוחר (LCPs) עם אלה הנמצאים בין הפנוטיפים בתחום הביניים (ICPs).
למרות ecps ו-lcps ברור להבדיל באמצעות התנהגותם (כלומר, דפוסי לישון/התעוררות), הבדלים אלה בודדים מונעים גם על ידי וריאציות בפיזיולוגיה5 ו גנטי נטייה6,7. בסמנים פיזיולוגיים משמשים לעתים קרובות כדי לקבוע את השלב החוגה/עיתוי של אדם. שניים מההורמונים העיקריים המעידים על עיתוי מעגלי הם מלטונין, העולים בשעות הערב כדי להגיע לפסגה באמצע הלילה, וקורטיזול, הפסגות בבוקר8. באמצעות סמנים מעגליות בשלב זה, הבדלים אישיים בתבניות התעוררות לשינה יכולים להיות מזוהים. לדוגמה, עמעם אור התחלה מלטונין (dlmo)9,10 ואת הזמן של התעוררות התגובה שלהקורטיזול 11,12 שיא מוקדם יותר ecps, אשר משתקף על ידי הקצב אחראי של טמפרטורת הגוף הליבה13.11 הרוק מאפשר קל, בטוח ולא פולשני אוסף שממנו הורמונים אלה יכולים להיות מנותח על ידי שיטת הרדיוחיסוני (RIA) או האנזים מקושרים הקשורות האנזימים (אליסה) ללא צורך לחלץ כל חומר הסלולר. RIA ו-אליסה הם רגישים וספציפיים מאמר כי לזהות ריכוזים של אנטיגנים בדגימות ביולוגיות (למשל, דם, פלזמה או רוק), דרך תגובות אנטיגן-נוגדן מעורבים איזוטופים רדיויניום (g., יוד (125I) או נוגדנים מקושרים האנזים14).
פרוטוקולי מעבדה מבוקרים לחלוטין כגון שגרת מתמדת (CR) וdesynchrony בכפייה (FD) הם תקן הזהב בתחום הכרונוביולוגיה לחקר המקצבים האנדוגניים15. עם זאת, יש צורך הולך וגובר ללמוד אנשים בסביבה הביתית שלהם מחוץ הגדרות מעבדה מלאכותית לאסוף נתונים הקשריים ולהגדיל את התקפות החיצוני של תוצאות. מכאן, אנו דורשים דרכים טובות יותר לסווג, למדוד ולהעריך את ההבדלים האישיים בתחום. בנוסף, וריאציות יומי באמצעים שונים של הפיזי (הקיבולת האירובית, חוזק השריר) וקוגניטיבי (זמן תגובה, תשומת לב מתמשכת, תפקוד ההנהלה) ביצועים נחשפו עם ecps ביצוע טוב יותר ביום ו-lcps בערב16,17. זה מדגיש כי השעה של היום ומעגליות פנוטיפ צריך להיות גורמים שנחשבים כאשר ביצוע בדיקות ביצועים במחקרי מחקר.
מספר האמצעים והפרוטוקולים השונים המשמשים במחקרי מעבדה מאפשרים ליישם תנאים מאוד מבוקרים. מחקרי שטח נוטים להיות מאתגרים יותר בשל מספר הגורמים המשפיעים. לכן, באמצעות גישה הוליסטית יותר על ידי שילוב טכניקות מרובות עשוי לספק דיוק יותר בעת ניטור התנהגות של אדם, פסיכולוגיה וביצועים בסביבה הביתית שלהם18. כאן, אנו דנים בשיטה שיכולה בקלות להיות מיושמת בשדה כדי לזהות הבדלים בודדים בפנוטיפים מעגליות באמצעות MCTQ, האקטגרפיה והסמנים הפיסיולוגיים. ההשערה שמשתנים אלה ישתנו באופן משמעותי בין קבוצות מעגליות ויהיו מתואמים באופן משמעותי עם chronotype (= תוקן באמצע השינה בימים חופשיים (MSFsc) התאספו מ MCTQ). יתר על כן, אנו מציעים דרכים למדוד ביצועים יומי, הדגשת הצורך לנתח נתונים בנפרד עבור כל מעגלי הקבוצה. אנו מגדלים את ההשערה כי הבדלים בקצב הביצועים יומי יהיו מטושטשים אם הנתונים נותחו רק ברמת האוכלוסיה כולה.
Protocol
Representative Results
Discussion
בשל האינטראקציה המורכבת של השפעות מעגליות ותלויות-שינה על התנהגות, חקר התרומות היחסיות של כל אחד מהם הוא אתגר. פרוטוקולים מבוססי מעבדה הם בעיקר לא מציאותי ויקר, ובכך להחזיק בתוקף החיצוני עניים כאשר התייחסות תוצאות התפקוד היומיומי25. לכן, יש צורך הולך וגובר ללמוד אנשים בסביבה הביתית שלהם כדי לקדם את היכולת הגנריות להקשרים בעולם האמיתי. למרות שמחקרים בשטח אינם מאפשרים את השליטה בהשפעות אקסודוגני, גישה משולבת עשויה לסייע לשפוך אור על האופן בו גורמים ביולוגיים וסביבתיים משפיעים על בריאות, פיזיולוגיה וביצועים23,26,27. פרוטוקול זה תוכנן במיוחד כדי להיות מסוגל לפקח על אנשים בסביבה הביתית שלהם תוך כדי לאחר השגרה הרגילות שלהם. אלו פרוטוקולים לדיגום רוק שבוצעו בהצלחה בהגדרות מאתגרות כגון אמזון28 ו אנטארקטיקה29 לתמוך בקלות של ניהול פרוטוקול זה.
שאלונים הם כלי שימושי בלימודי שינה ומעגליות כשהם מאפשרים דרך מהירה ופשוטה לאיסוף מגוון רחב של מידע. עם זאת, סתירות בין אמצעים סובייקטיביים ואובייקטיביים יכולים ליצור קשיים כאשר מנסים ללמוד הבדלים בודדים. לכן, להיות מסוגל לאסוף מספר צעדים סובייקטיבית ואובייקטיבית יכול לחזק את הסיווג של קבוצות מעגליות פנוטיפ. שילוב זה של שיטות-mctq, actigraphy, בדיקות פיסיולוגיים וביצועים-הדגיש כיצד התוצאות יכול להתפרש שלא כהלכה אם הבדלים בודדים בפנוטיפים אחראי אינם נחשבים. עם זאת, מדידת כל המשתנים האלה מספקת את הסיווג המהימן ביותר של קבוצות מעגליות, עם זאת, יש פוטנציאל לפתח את השיטה עוד יותר כדי לאפשר פחות דרישות. למשל, למרות המהימנות נשאר להיחקר, כדי להפחית את העלות, החוקרים יכולים להסיר את השלב הדגימה קורטיזול או להשתמש בשאלון אחר. זה יהיה שווה לציין, עם זאת, כי מאז dlmo הוא סמן תקן זהב הנוכחי עבור העיתוי אחראי ו actigraphy היא שיטה סטנדרטית לניטור דפוסי השאר/פעילות, זה יהיה משתנים חיוניים לכלול הערכות.
תזמון בדיקות ביצועים המבוססות על זמני שעון במקום תזמוני בסיס יחסית לפרט (זמן פנימי ביולוגי) מגביר את הכדאיות ומאפשר ליישם את הפרוטוקול בהגדרות העולם האמיתי. עם זאת, הגבלה של עיצוב זה היא חוסר יכולת לקבוע את ההשפעה של המערכת האחראי לעומת הומאוסטטי השפעות. זה הופך לאתגר כי אין דרך לאשר מנגנונים ספציפיים לתרום את התוצאות. עם זאת, מאחר שמטרת פרוטוקול זה היא לחקור קבוצות אלה בתרחיש של העולם האמיתי, הפחתת המנגנון התלוי בשינה תצמצם את תוקפו החיצוני של התוצאות. זה יכול להיות טען, לכן, כי באמצעות שיטה משולבת הוא ישים יותר וניתן יותר ללימודי שדה.
צעדים ישירים של הביצועים הם רלוונטיים ביותר לחברה, אבל נראה כי מבלי לקחת בחשבון את הגורמים המשפיעים מרובים, במיוחד את הצורך לקבץ אנשים על פי המעגל שלהם פנוטיפים ולחץ לישון, מחקרים יכולים להיות חסרים תוצאות מפתח.
כפי שנאמר, PVT ו-KSS היו בשימוש נרחב בתחומים רבים של מחקר. הפשטות של PVT וגמישות במשך הפעילות עושה את זה מבחן אטרקטיבי להשתמש אחראי מחקרים הגבלת שינה הדורשים פעמים בדיקה מרובות, והוכח להיות סמן רגיש של מניעת שינה30,31. למרות דיוק בדיקה וזמני התגובה הכוללת להגדיל עם משך הפעילות, 2 דקות, 5 דקות ו 10 דקות PVT משימות כל להראות זמן דומה של יחסים ביום32.
ניתן ליישם את עיצוב הפרוטוקול שלנו באמצעות מגוון של משימות ביצועים שונות ובנקודות זמן תכופות יותר במידת הצורך. מחקרים קודמים הראו זמן השפעות היום הן מדדי ביצועים פיזיים וקוגניטיביים כגון קיבולת אירובית15 הפונקציה המבצעת25. יישום פרוטוקול זה וחשבונאות עבור הבדלים בודדים יגדיל את ההבנה של אופן הלימוד של המנגנון התורם לביצועים, במיוחד בהגדרות נישה נוספות כגון ספורט האליטה. לסיכום, פרוטוקול זה מאפשר הערכה בעולם האמיתי של אחראי פנוטיפ ומספק תובנה כיצד למדוד את ההשפעה של הזמן ביום על הביצועים.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכת על ידי מימון של המועצה למחקר ביוטכנולוגיה ומדעי ביולוגי (BBSRC, BB/J014532/1) ואת המועצה למחקר הנדסה פיזית מדעי (EPSRC, EP/J002909/1). E. R. F. C נתמכת על ידי קרן נאמנות מוסדית לתמיכה אסטרטגית (יצחק) ערכת מאיץ המאיץ (ברוכים 204846/Z/16/Z) וממשלה אוסטרלית, המחלקה לתעשייה, חדשנות והמדע מענק (ICG000899/19/0602). תודה כנה שלנו הן על כל המשתתפים Stockgrand בע מ עבור הצורך והחומרים.
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).
