Световые эффекты на циркадный ритм - Light effects on circadian rhythm

Световые эффекты на циркадный ритм эффекты, которые оказывает свет на циркадный ритм.

У большинства животных и других организмов есть «встроенные часы» в мозгу, которые регулируют время биологические процессы и повседневное поведение. Эти «часы» известны как циркадные ритмы. Они позволяют поддерживать эти процессы и поведение относительно 24-часового цикла день / ночь в природе. Хотя эти ритмы поддерживаются отдельными организмами, их продолжительность несколько различается индивидуально. Следовательно, они должны постоянно или многократно сбрасываться, чтобы синхронизироваться с природным циклом.[1] Чтобы поддерживать синхронизацию ("увлечение ") до 24 часов, внешние факторы должны играть некоторую роль. Циркадный ритм человека обычно возникает в соответствии с природным циклом. Средний цикл ритма активности составляет 24,18 часа в зрелом возрасте, но сокращается с возрастом.[2] Одним из различных факторов, влияющих на это увлечение, является воздействие света на глаза.[3][4][5] Когда организм подвергается воздействию светового раздражителя определенной длины волны в определенное время в течение дня, гормон мелатонин подавляется или предотвращается его секреция. шишковидная железа.[6]

Механизм

IpRGC PLR.svg

Сначала свет проходит в систему млекопитающего через сетчатку, а затем идет одним из двух путей: свет собирается палочковыми клетками, колбочками и ганглиозными клетками сетчатки (RGC), либо он собирается непосредственно этими RGC.[6][7][8][9]

РГК используют фотопигмент. меланопсин поглощать световую энергию.[6][7][8][9] В частности, обсуждаемый класс RGC называется «по своей природе светочувствительным», что означает, что они чувствительны к свету.[6][10][8] Есть пять известных типов по своей природе светочувствительные ганглиозные клетки сетчатки (ipRGC): M1, M2, M3, M4 и M5.[8] Каждый из этих типов ipRGC имеет разное содержание меланопсина и светочувствительность.[11] Они подключаются к амакриновые клетки в внутренний плексиформный слой из сетчатка.[8] В конечном итоге через это ретиногипоталамический тракт (RHT) супрахиазматическое ядро (SCN) гипоталамус получает легкую информацию от этих ipRCG.[6][7][8][9]

IpRGC выполняют иную функцию, чем палочки и колбочки, даже когда они изолированы от других компонентов сетчатки, ipRGC сохраняют свою светочувствительность и в результате могут быть чувствительны к различным диапазонам светового спектра.[11] Кроме того, схемы срабатывания ipRGC могут реагировать на условия освещения всего лишь 1 люкс, тогда как предыдущие исследования показали, что для подавления выработки мелатонина требовалось 2500 люкс.[11] Показано, что циркадные и другие поведенческие реакции более чувствительны при более низких длинах волн, чем функция световой эффективности фотопического типа, основанная на чувствительности к рецептору колбочек.[11]

В центральной области SCN находится большинство светочувствительных нейронов.[12] Отсюда сигналы передаются через нервную связь с шишковидной железой, которая регулирует различные гормоны в организме человека.[13]

Есть конкретные гены которые определяют регуляцию циркадного ритма в сочетании со светом.[12] Когда свет активируется Рецепторы NMDA в ЮКН, ЧАСЫ Экспрессия гена в этой области изменяется, и SCN сбрасывается, и именно так происходит вовлечение.[12] Гены, также участвующие в увлечении, PER1 и PER2.[12]

Некоторые важные структуры, на которые напрямую влияют отношения легкого сна, - это верхний холмик -претектальная область и вентролатеральное предоптическое ядро.[10][9]

Последствия

Начальный

Все механизмы вовлечения света еще полностью не изучены, однако многочисленные исследования продемонстрировали эффективность вовлечения света в дневной / ночной цикл. Исследования показали, что время воздействия света влияет на унос; как видно на кривая фазовой характеристики для света для данного вида. У видов, ведущих дневной образ жизни (дневной активности), воздействие света вскоре после пробуждения приводит к ускорению циркадного ритма, тогда как воздействие света перед сном замедляет его.[5][14][12] Аванс означает, что человек будет просыпаться раньше на следующий день (дни). Задержка, вызванная воздействием света перед сном, означает, что человек, как правило, просыпается позже на следующий день (дни).

Гормоны кортизол и мелатонин на них воздействуют световые сигналы, посылаемые через нервную систему организма. Эти гормоны помогают регулировать уровень сахара в крови, чтобы дать организму необходимое количество энергии, которое требуется в течение дня. Уровни кортизола высоки при пробуждении и постепенно снижаются в течение дня, уровни мелатонина высоки, когда организм входит и выходит из состояния сна, и очень низки в течение времени бодрствования.[13] Естественный цикл света и темноты на Земле является основой для высвобождения этих гормонов.

Продолжительность воздействия света влияет на унос. Более длительные выдержки имеют больший эффект, чем более короткие выдержки.[14] Постоянное освещение имеет больший эффект, чем прерывистое.[3] У крыс постоянный свет в конечном итоге нарушает цикл до такой степени, что память и способность справляться со стрессом могут быть нарушены.[15]

Интенсивность и длина волны света влияют на увлечение.[6] Тусклый свет может влиять на увлечение по сравнению с темнотой.[16] Яркий свет более эффективен, чем тусклый.[14] У людей коротковолновый (синий / фиолетовый) свет меньшей интенсивности оказывается столь же эффективным, как и более интенсивный белый свет.[5]

Воздействие монохроматического света с длинами волн 460 нм и 550 нм на две контрольные группы дало результаты, показывающие снижение сонливости при 460 нм, испытанное в двух группах и контрольной группе. Кроме того, в том же исследовании, но при тестировании терморегуляции и частоты сердечных сокращений, исследователи обнаружили значительное увеличение частоты сердечных сокращений при свете 460 нм в течение 1,5-часового периода воздействия.[17]

В исследовании, проведенном по влиянию интенсивности освещения на дельта-волны, показатель сонливости, высокие уровни освещения (1700 люкс) показали более низкие уровни дельта-волн, измеренные с помощью ЭЭГ, чем низкие уровни освещения (450 люкс). Это показывает, что интенсивность освещения напрямую связана с бдительностью в офисной среде.[18]

Люди чувствительны к свету с короткой длиной волны. В частности, меланопсин чувствителен к синему свету с длиной волны около 480 нанометров.[19] Влияние этой длины волны света на меланопсин приводит к физиологическим реакциям, таким как подавление выработки мелатонина, повышение активности и изменения циркадного ритма.[19]

Вторичный

Хотя свет оказывает прямое влияние на циркадный ритм, в исследованиях наблюдаются косвенные эффекты.[8] Сезонное аффективное расстройство создает модель, в которой уменьшенная продолжительность светового дня осенью и зимой увеличивается депрессивный симптомы.[10][8] Сдвиг циркадного ритма кривая фазовой характеристики создает связь между количеством света в день (продолжительность дня) и депрессивными симптомами при этом расстройстве.[10][8] Свет, по-видимому, обладает терапевтическим антидепрессивным действием, когда организм подвергается его воздействию в соответствующее время в течение циркадного ритма, регулируя цикл сна и бодрствования.[10][8]

Помимо настроения, обучение и память ухудшаются, когда циркадная система смещается из-за световых раздражителей,[10][20] что можно увидеть при моделировании исследований расстройство суточного биоритма в связи с дальним перелетом и сменная работа ситуации.[8] Фронтальный и теменный области долей, вовлеченные в рабочая память были замешаны в меланопсин ответы на световую информацию.[20]

«В 2007 году Международное агентство по изучению рака классифицировало сменную работу с нарушением циркадных ритмов или хронологией как вероятный канцероген для человека».[21]

Воздействие света в часы производства мелатонина снижает выработку мелатонина. Было показано, что мелатонин снижает рост опухолей у крыс. Путем подавления выработки мелатонина ночными крысами в течение четырехнедельного периода наблюдалось повышение уровня опухолей.[22]

Искусственный свет ночью, вызывающий нарушение циркадного ритма, дополнительно влияет на выработку половых стероидов. Повышенные уровни прогестагенов и андрогенов были обнаружены у рабочих в ночную смену по сравнению с работниками "рабочего времени".[21]

Правильное воздействие света стало общепринятым способом смягчить некоторые эффекты САР. Вдобавок было показано, что воздействие света по утрам помогает пациентам с болезнью Альцгеймера регулировать режим бодрствования.[23]

В ответ на световое воздействие уровень настороженности может повыситься в результате подавления секреции мелатонина.[7][10] А линейный была обнаружена взаимосвязь между предупреждающими эффектами света и активацией в задней части гипоталамус.[7][24]

Нарушение циркадного ритма из-за света также вызывает изменения в метаболизм.[8]

Измеренное освещение для рейтинговых систем

Исторически свет измеряли в единицах силы света (канделы ), яркость (кандел / м2) и освещенности (люмен / м2). После открытия ipRGCs в 2002 году были исследованы дополнительные единицы измерения освещенности, чтобы лучше оценить влияние различных входов спектра света на различные фоторецепторы. Однако из-за различий в чувствительности между стержнями, колбочками и ipRGC, а также различий между различными типами ipRGC, единичный блок не полностью отражает влияние света на человеческое тело.[11]

Принятая текущая единица измерения эквивалентна меланопическому люксу, который представляет собой вычисленное соотношение, умноженное на единицу люкс. Меланопическое соотношение определяется с учетом типа источника света и значений меланопической освещенности для фотопигментов глаза.[25] Источник света, единица измерения освещенности и величина освещенности определяют спектральное распределение мощности. Это используется для расчета фотопической освещенности и меланопического люкса для пяти фотопигментов человеческого глаза, которые взвешиваются на основе оптической плотности каждого фотопигмента.[25]

Стандарт WELL Building был разработан для «улучшения здоровья и благополучия в зданиях во всем мире».[26] Частью стандарта является реализация Credit 54: Circadian Lighting Design. Определенные пороги для разных офисных площадей определены для получения кредитов. Свет во всех помещениях измеряется на высоте 1,2 метра над чистым полом.

Рабочие зоны должны иметь значение не менее 200 эквивалентных меланопических люксов для 75% или более рабочих мест в период с 9:00 утра. и 13:00. для каждого дня года, когда в расчетах учитывается дневной свет. Если не учитывать дневной свет, все рабочие места требуют освещения на уровне 150 эквивалентов меланопического люкса или выше.[27]

В жилых помещениях, которые представляют собой спальни, ванные комнаты и комнаты с окнами, по крайней мере одно приспособление должно обеспечивать значение меланопического люкса не менее 200 в течение дня и значение меланопического люкса менее 50 в ночное время, измеренное на высоте 0,76 метра над готовым полом. .[27]

В комнатах отдыха требуется в среднем 250 люксов для меланопии.[27]

В учебных зонах требуется, чтобы световые модели, которые могут включать дневное освещение, имели эквивалентный меланоопический люкс 125 по крайней мере 75% столов в течение не менее четырех часов в день, или окружающее освещение соответствовало стандартным рекомендациям по освещению, изложенным в таблице 3 IES-ANSI. РП-3-13.[27]

Стандарт WELL Building дополнительно обеспечивает направление для симуляции циркадных ритмов в многоквартирных домах. Для более точного воспроизведения естественного цикла освещения пользователи должны иметь возможность устанавливать время пробуждения и отхода ко сну. Эквивалентный меланопический люкс 250 должен поддерживаться в течение дня между указанным временем бодрствования и двумя часами до указанного времени отхода ко сну. Эквивалентный меланопический люкс 50 или меньше требуется в течение дня, охватывающего от двух часов до указанного времени сна до времени бодрствования. Кроме того, в указанное время бодрствования меланопический люкс должен увеличиться с 0 до 250 в течение как минимум 15 минут.[28]

Прочие факторы

Хотя многие исследователи считают свет сильнейшим сигналом к ​​увлечению, это не единственный фактор, влияющий на циркадные ритмы. Другие факторы могут повышать или понижать эффективность уноса. Например, упражнения и другая физическая активность в сочетании с воздействием света приводят к несколько более сильной реакции увлечения.[3] Другие факторы, такие как музыка и своевременное введение нейрогормона мелатонина, показали аналогичные эффекты.[29][30] На унос также влияет множество других факторов. К ним относятся графики кормления, температура, фармакология, двигательные стимулы, социальное взаимодействие, сексуальные раздражители и стресс.[31]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Колмос Э., Дэвис С.Дж. (сентябрь 2007 г.). «Циркадные ритмы: сигналы, связанные с ро в зависимости от времени восприятия света». сотрудничество. Текущая биология. 17 (18): R808–10. Дои:10.1016 / j.cub.2007.07.031. HDL:11858 / 00-001M-0000-0012-3809-B. PMID  17878051.
  2. ^ Cheisler CA, Duffy JF, Shanahan TL, Brown EN, Mitchell JF, Rimmer DW и др. (Июнь 1999 г.). «Стабильность, точность и почти 24-часовой период циркадного кардиостимулятора человека». начальный. Наука. 284 (5423): 2177–81. Дои:10.1126 / science.284.5423.2177. PMID  10381883.
  3. ^ а б c Баер Э.К., Фогг Л.Ф., Истман С.И. (декабрь 1999 г.). «Прерывистый яркий свет и упражнения, чтобы задействовать циркадные ритмы человека в ночную работу». начальный. Американский журнал физиологии. 277 (6): R1598–604. Дои:10.1152 / ajpregu.1999.277.6.R1598. PMID  10600904.
  4. ^ Хираяма Дж., Чо С., Сассоне-Корси П. (октябрь 2007 г.). «Циркадный контроль путем восстановления / окисления: каталаза подавляет светозависимую экспрессию часового гена у рыбок данио». начальный. Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 104 (40): 15747–52. Дои:10.1073 / pnas.0705614104. ЧВК  2000381. PMID  17898172.
  5. ^ а б c Варман В.Л., Дейк DJ, Варман Г.Р., Арендт Дж., Скин Д.Д. (май 2003 г.). «Фазовое продвижение циркадных ритмов человека с помощью коротковолнового света». начальный. Письма о неврологии. 342 (1–2): 37–40. Дои:10.1016 / S0304-3940 (03) 00223-4. PMID  12727312.
  6. ^ а б c d е ж Даффи Дж. Ф., Чейслер, Калифорния (июнь 2009 г.). «Влияние света на физиологию циркадного ритма человека». рассмотрение. Клиники медицины сна. 4 (2): 165–177. Дои:10.1016 / j.jsmc.2009.01.004. ЧВК  2717723. PMID  20161220.
  7. ^ а б c d е Вимал Р.Л., Пандей-Вимал М.Ю., Вимал Л.С., Фредерик Б.Б., Стопа Е.Г., Реншоу П.Ф. и др. (Январь 2009 г.). «Активация супрахиазматических ядер и первичной зрительной коры зависит от времени суток». начальный. Европейский журнал нейробиологии. 29 (2): 399–410. Дои:10.1111 / j.1460-9568.2008.06582.x. PMID  19200242.
  8. ^ а б c d е ж грамм час я j k л LeGates TA, Фернандес, округ Колумбия, Hattar S (июль 2014 г.). «Свет как центральный модулятор циркадных ритмов, сна и аффекта». рассмотрение. Обзоры природы. Неврология. 15 (7): 443–54. Дои:10.1038 / nrn3743. ЧВК  4254760. PMID  24917305.
  9. ^ а б c d Дейк DJ, Арчер С.Н. (июнь 2009 г.). «Свет, сон и циркадные ритмы: снова вместе». начальный. PLoS Биология. 7 (6): e1000145. Дои:10.1371 / journal.pbio.1000145. ЧВК  2691600. PMID  19547745.
  10. ^ а б c d е ж грамм Стефенсон К.М., Шредер С.М., Берчи Г., Бурджин П. (октябрь 2012 г.). «Сложное взаимодействие циркадных и нециркадных эффектов света на настроение: проливаем новый свет на старую историю». рассмотрение. Отзывы о медицине сна. 16 (5): 445–54. Дои:10.1016 / j.smrv.2011.09.002. PMID  22244990.
  11. ^ а б c d е Лукас Р.Дж., Пирсон С.Н., Берсон Д.М., Браун TM, Купер Х.М., Чейслер С.А. и др. (Январь 2014). «Измерение и использование света в эпоху меланопсина». рассмотрение. Тенденции в неврологии. 37 (1): 1–9. Дои:10.1016 / j.tins.2013.10.004. ЧВК  4699304. PMID  24287308.
  12. ^ а б c d е Ян Л. (декабрь 2009 г.). «Экспрессия часовых генов в супрахиазматическом ядре: влияние условий освещения окружающей среды». рассмотрение. Обзоры в эндокринных и метаболических расстройствах. 10 (4): 301–10. Дои:10.1007 / s11154-009-9121-9. PMID  19777352.
  13. ^ а б ван Боммель WJ (июль 2006 г.). «Невизуальный биологический эффект освещения и практическое значение освещения для работы». рассмотрение. Прикладная эргономика. 37 (4): 461–6. Дои:10.1016 / я.перго.2006.04.009. PMID  16756935.
  14. ^ а б c Даффи Дж. Ф., Кронауэр Р. Э., Чейслер Калифорния (август 1996 г.). «Фазовые циркадные ритмы человека: влияние времени сна, социальных контактов и воздействия света». начальный. Журнал физиологии. 495 (Pt 1): 289–97. Дои:10.1113 / jphysiol.1996.sp021593. ЧВК  1160744. PMID  8866371.
  15. ^ Ма В.П., Цао Дж., Тиан М., Цуй М.Х., Хан Х.Л., Ян YX, Сюй Л. (октябрь 2007 г.). «Постоянное воздействие постоянного света ухудшает пространственную память и влияет на длительную депрессию у крыс». начальный. Нейробиологические исследования. 59 (2): 224–30. Дои:10.1016 / j.neures.2007.06.1474. PMID  17692419.
  16. ^ Горман М.Р., Кендалл М., Эллиотт Дж. А. (февраль 2005 г.). «Скотопическое освещение усиливает увлечение циркадных ритмов удлинением циклов свет: темнота». начальный. Журнал биологических ритмов. 20 (1): 38–48. Дои:10.1177/0748730404271573. PMID  15654069.
  17. ^ Кайохен, Кристиан; Мюнх, Мирьям; Кобиалка, Шимон; Кройчи, Курт; Штайнер, Роланд; Ольхафен, Питер; Оргюль, Селим; Вирц-Джастис, Анна (март 2005 г.). «Высокая чувствительность человеческого мелатонина, бдительность, терморегуляция и частота сердечных сокращений к коротковолновому свету». Журнал клинической эндокринологии и метаболизма. 90 (3): 1311–1316. Дои:10.1210 / jc.2004-0957. ISSN  0021-972X. PMID  15585546.
  18. ^ Кюллер Р., Веттерберг Л. (июнь 1993 г.). «Мелатонин, кортизол, ЭЭГ, ЭКГ и субъективный комфорт у здоровых людей: воздействие двух типов люминесцентных ламп при двух интенсивностях света». начальный. Журнал исследований и технологий освещения. 25 (2): 71–80. Дои:10.1177/096032719302500203.
  19. ^ а б Беллия Л., Бисенья Ф, Спада Дж. (Октябрь 2011 г.). «Освещение в помещениях: визуальные и невизуальные эффекты источников света с различным спектральным распределением мощности». начальный. Строительство и окружающая среда. 46 (10): 1984–92. Дои:10.1016 / j.buildenv.2011.04.007.
  20. ^ а б Vandewalle G, Gais S, Schabus M, Balteau E, Carrier J, Darsaud A, Sterpenich V, Albouy G, Dijk DJ, Maquet P (декабрь 2007 г.). «Зависимая от длины волны модуляция реакции мозга на задание рабочей памяти при дневном освещении». начальный. Кора головного мозга. 17 (12): 2788–95. Дои:10.1093 / cercor / bhm007. PMID  17404390.
  21. ^ а б Кубатка П., Зубор П., Буссельберг Д., Квон Т.К., Адамек М., Петрович Д. и др. (Февраль 2018). «Мелатонин и рак груди: данные доклинических исследований и исследований на людях». рассмотрение. Критические обзоры в онкологии / гематологии. 122: 133–143. Дои:10.1016 / j.critrevonc.2017.12.018. PMID  29458781.
  22. ^ Blask DE, Dauchy RT, Sauer LA, Krause JA, Brainard GC (июль 2002 г.). «Свет в темноте, подавление мелатонина и прогрессирование рака». рассмотрение. Письма о нейроэндокринологии. 23 Дополнение 2: 52–6. PMID  12163849.
  23. ^ ван Сомерен Э.Дж., Мирмиран М., Свааб Д.Ф. (ноябрь 1993 г.). «Немедикаментозное лечение нарушений сна и бодрствования при старении и болезни Альцгеймера: хронобиологические перспективы». рассмотрение. Поведенческие исследования мозга. 57 (2): 235–53. Дои:10.1016 / 0166-4328 (93) 90140-Л. PMID  8117428.
  24. ^ Vandewalle G, Balteau E, Phillips C, Degueldre C, Moreau V, Sterpenich V и др. (Август 2006 г.). «Дневное освещение динамически усиливает реакцию мозга». начальный. Текущая биология. 16 (16): 1616–21. Дои:10.1016 / j.cub.2006.06.031. PMID  16920622.
  25. ^ а б Лукас Р. (октябрь 2013 г.). "Набор инструментов для облучения" (PDF). personalpages.manchester.ac.uk.
  26. ^ «Международный институт строительства WELL». Международный институт строительства WELL. Получено 2018-12-10.
  27. ^ а б c d «Циркадный световой дизайн». ХОРОШО Стандарт. Получено 2018-12-10.
  28. ^ "Циркадная эмуляция | ХОРОШИЙ стандарт". standard.wellcertified.com. Получено 2018-12-10.
  29. ^ Goel N (сентябрь 2006 г.). «Пробуждающий, музыкально усиленный стимул пения птиц опосредует наступление фазы циркадного ритма при тусклом свете». начальный. Американский журнал физиологии. Регуляторная, интегративная и сравнительная физиология. 291 (3): R822–7. Дои:10.1152 / ajpregu.00550.2005. PMID  16614052.
  30. ^ Ревелл В.Л., Берджесс Х.Дж., Газда С.Дж., Смит М.Р., Фогг Л.Ф., Истман К.И. (январь 2006 г.). «Улучшение циркадных ритмов человека с помощью дневного мелатонина и прерывистого утреннего яркого света». начальный. Журнал клинической эндокринологии и метаболизма. 91 (1): 54–9. Дои:10.1210 / jc.2005-1009. ЧВК  3841985. PMID  16263827.
  31. ^ Салазар-Хуарес А., Парра-Гамез Л., Барбоса Мендес С., Лефф П., Антон Б. (май 2007 г.). «Нефотическое увлечение. Другой тип увлечения? Часть первая». Салуд Ментал. 30 (3): 39–47.