De Russell G. Foster, Profesor de neuroștiință circadiană și Director al Departamentului de oftalmologie la Universitatea Oxford.

Introducere

Viețile noastre sunt guvernate de timp și folosim timpul pentru a ne spune ce să facem. Dar ceasul cu alarmă digital care ne trezește dimineața sau ceasul de mână care ne spune că întârziem la cină sunt ceasuri nefirești. Biologia noastră răspunde la un ritm profund mai vechi, care probabil a început să ticăie devreme în evoluția întregii vieți.

Genele noastre și aproape toată viața de pe pământ încorporează instrucțiunile pentru un ceas biologic care marchează trecerea a aproximativ 24 de ore. Ceasurile biologice sau „ceasurile circadiene” (circa = aproximativ, diem = zi) ajută la cronometrarea tiparelor noastre de somn, veghe, stare de spirit, putere fizică, tensiune arterială și multe altele. În condiții normale, experimentăm un model de 24 de ore de lumină și întuneric, iar ceasul nostru circadian folosește acest semnal pentru a alinia timpul biologic cu ziua și noaptea.

Ceasul este apoi folosit pentru a anticipa cerințele diferite ale zilei de 24 de ore și pentru a ajusta fiziologia și comportamentul înainte de condițiile în schimbare. Temperatura corpului scade, tensiunea arterială scade, performanța cognitivă scade și oboseala crește în așteptarea somnului de noapte. În timp ce înainte de zori, metabolismul este pregătit pentru a anticipa o activitate crescută atunci când ne trezim.

Seduși de o aparentă libertate de a dormi, de a lucra, de a mânca, de a bea sau de a călători atunci când ne dorim, puțini dintre noi apreciază această lume interioară. Dar această libertate este o iluzie; în realitate, nu suntem liberi să acționăm independent de ordinea biologică pe care o stabilește ceasul circadian. Nu putem funcționa cu aceeași eficiență pe parcursul zilei de 24 de ore.

Viața a evoluat pe o planetă care experimentează schimbări profunde ale luminii pe parcursul zilei de 24 de ore, iar biologia noastră anticipează aceste schimbări și trebuie să fie expusă modelului natural de lumină și întuneric pentru a funcționa corect. Cu toate acestea, ne detașăm de mediu transformându-ne nopțile în zile în mod forțat folosind lumina electrică și ne izolăm în clădiri care ne feresc de lumina naturală. Această scurtă recenzie ia în considerare unele dintre consecințele importante ale detașării noastre tot mai mari de soare.

Ziua din interior

La baza creierului, într-o structură cunoscută sub numele de hipotalamus anterior, se află un grup de aproximativ 50.000 de neuroni cunoscuți sub numele de nucleu suprachiasmatic sau SCN. Dacă această regiune este distrusă ca urmare a unui accident vascular cerebral sau a unei tumori, atunci ritmicitatea de 24 de ore se pierde și fiziologia este distribuită aleatoriu pe parcursul zilei. Constatarea că neuronii SCN individuali, izolați de toate celelalte celule, prezintă ritmuri de aproape 24 de ore în activitatea electrică a demonstrat că mecanismele de bază care generează această zi internă trebuie să facă parte dintr-un mecanism molecular subcelular. Până în prezent, aproximativ 14-20 de gene și produsele lor proteice au fost legate de generarea de ritmuri circadiene.

În centrul ceasului molecular se află o buclă de feedback negativ care cuprinde următoarea secvență de evenimente: genele ceasului sunt transcrise și ARN-urile mesager (ARNm) se deplasează în citoplasma celulei și sunt traduse în proteine; Proteinele interacționează pentru a forma complexe și apoi se deplasează din citoplasmă în nucleu și inhibă transcrierea propriilor gene; complecșii proteici inhibitori ai ceasului sunt apoi degradați și genele ceasului de bază sunt din nou libere să producă ARNm și, prin urmare, proteină proaspătă. Această buclă de feedback negativ generează un ritm de aproape 24 de ore de producere și degradare a proteinelor care codifică ziua biologică.

Ipoteza inițială a fost că neuronii SCN generează în mod colectiv sau impun un ritm de 24 de ore asupra fiziologiei și comportamentului. Cu toate acestea, descoperirea că celulele izolate din aproape orice organ al corpului produc gene/proteine de ceas într-un model circadian a condus la o schimbare majoră în înțelegerea noastră. Acum presupunem că SCN acționează ca un stimulator cardiac principal, coordonând activitatea tuturor ceasurilor celulare într-un mod asemănător cu dirijorul unei orchestre, reglând sincronizarea multiplelor și variatelor componente ale ansamblului. În absența SCN, ceasurile celulare individuale ale sistemelor de organe se depărtează și ritmurile circadiene coordonate se prăbușesc – o stare cunoscută sub numele de desincronizare internă. Desincronizarea internă este principalul motiv pentru care ne simțim atât de îngrozitor ca urmare a diferenței de fus orar. Toate sistemele de organe diferite, creierul, ficatul, intestinul, mușchii etc., funcționează la un moment ușor diferit. Numai când timpul intern a fost realiniat, putem funcționa normal din nou.

Ilustrație: Ulrika Nilsson Carlsson

Ceasurile noastre corporale sunt diferite – gene și hormoni?

„În puținele studii efectuate, s-a demonstrat că începerea orelor mai târziu în scoli îmbunătățește vigilența și abilitățile mentale ale elevilor în timpul orelor de dimineață. În mod ironic, în timp ce adulții tineri tind să-și îmbunătățească performanța pe parcursul zilei, profesorii lor mai în vârstă demonstrează o scădere a performanței în aceeași perioadă!” Ceasurile noastre corporale nu sunt toate la fel.

Dacă ești activ dimineața și te culci devreme, ești „o ciocârlie de zi”, dar dacă urăști diminețile și vrei ca noaptea să fie mai lungă, atunci ești o „bufniță”.

Acești termeni au fost folosiți pentru a descrie fenomenul real al preferinței diurne – momentele în care preferi să dormi și când atingi nivelul optim de energie. Preferința diurnă este determinată parțial de genele noastre de ceas. Cercetările interesante din ultimii ani au arătat că mici modificări ale acestor gene au fost legate de ceasurile rapide (mai scurte de 24 de ore) ale ciocârliilor sau de ceasurile mai lente (mai lungi de 24 de ore) ale bufnițelor. Dar nu doar genele noastre ne reglează preferințele diurne. Timpul de somn se schimbă semnificativ pe măsură ce îmbătrânim.

Până la pubertate, orele de culcare și de trezire se mută către ore din ce în ce mai târzii. Această tendință de a se trezi mai târziu continuă până la vârsta de 19,5 ani la femei și 21 de ani la bărbați. În acest moment, există o inversare și o tendință către somn și trezire mai devreme. Până la vârsta de 55-60 de ani, ne trezim la fel de devreme ca atunci când aveam 10 ani.

Aceste rezultate și cele asociate demonstrează că adulții tineri au într-adevăr o problemă să se trezească dimineața. Adolescenții prezintă atât somn întârziat, cât și niveluri ridicate de privare de somn, deoarece merg la culcare târziu, dar trebuie totuși să se trezească dimineața devreme pentru a merge la școală. Aceste efecte biologice reale au fost în mare măsură ignorate în ceea ce privește structura timpului impusă adolescenților la școală.

În puținele studii efectuate, s-a demonstrat că începerea orelor mai târziu în scoli îmbunătățește vigilența și abilitățile mentale ale elevilor în timpul orelor de dimineață. În mod ironic, în timp ce adulții tineri tind să-și îmbunătățească performanța pe parcursul zilei, profesorii lor mai în vârstă demonstrează o scădere a performanței în aceeași perioadă! Mecanismele pentru această modificare a preferințelor diurne nu sunt înțelese pe deplin, dar se crede că se referă la schimbările marcate ale hormonilor noștri steroizi (de exemplu, testosteronul, estrogenul, progesteronul) și creșterea lor rapidă în timpul pubertății și declinul mai lent ulterior.

Ceasuri de lumină și vigilență

Ochiul stabilește o conexiune cu lumea exterioară nu numai pentru simțul văzului, ci și pentru simțul timpului și pentru multe procese temporale din corpul nostru.

Un ceas nu este un ceas decât dacă poate fi setat la ora locală – iar ceasurile moleculare din SCN sunt în mod normal ajustate (antrenate) de expunerea zilnică la lumină în apropierea zorilor și amurgului detectate de ochi. Neexpunerea ceasului la un ciclu stabil de lumină/întuneric are ca rezultat ritmuri circadiene în derivă sau „funcționare liberă” sau cicluri întrerupte.

Detașarea de ziua solară este obișnuită în societățile industrializate, iar cazul special al lucrătorilor în schimburi va fi discutat mai jos; cu toate acestea, izolarea de semnalele puternice de zori și amurg apare în multe cazuri diferite. De exemplu, unitățile de terapie intensivă pentru copii și adulți utilizează frecvent lumină scăzută și constantă. Într-un astfel de mediu, este de așteptat ca ritmurile circadiene să se abată de la normal și să devină desincronizate. Rezultatul, așa cum este discutat mai jos în sub-secțiunea „Perturbarea ceasului”, va fi o stare de sănătate șubrezită a pacientului. Lumina face mai mult decât să regleze sincronizarea ritmurilor circadiene – are, de asemenea, un efect direct asupra vigilenței și performanței.

Imagistica creierului după expunerea la lumină arată o activitate crescută în multe dintre zonele creierului implicate în vigilență, cogniție și memorie (talamus, hipocamp, trunchi cerebral) și starea de spirit (amigdala). În plus, s-a demonstrat că lumina crescută îmbunătățește concentrarea, capacitatea de a îndeplini sarcini cognitive și reduce somnolența. Ca urmare, expunerea necorespunzătoare la lumină într-o clădire nu va perturba doar somnul și sincronizarea circadiană, ci și nivelurile de vigilență și performanță.

Fotoreceptorii speciali din celulele ganglionare ale nervului optic sincronizează ceasul nostru interior cu ciclurile de lumină și întuneric din mediul nostru – și, prin urmare, cu ora locală.

Capacitatea noastră de înțelegere despre cum lumina reglează ritmurile circadiene și vigilența a crescut dramatic în ultimii câțiva ani, odată cu descoperirea unui sistem fotoreceptor complet nou în ochi. Acest fotoreceptor nou nu este localizat în partea ochiului care conține bastonașele (vederea de noapte) și conurile (vederea de zi) care sunt folosite pentru a genera o imagine a lumii, ci în celulele ganglionare care formează nervul optic. Majoritatea celulelor ganglionare formează o conexiune funcțională între ochi și creier, dar un număr mic de celule ganglionare specializate (1–3%) sunt direct sensibile la lumină și se proiectează către acele părți ale creierului implicate în reglarea ritmurilor circadiene, somnul, vigilența, memoria și starea de spirit.

Aceste celule ganglionare retiniene fotosensibile (pRGC) conțin un pigment sensibil la lumină numit Opn4, care este cel mai sensibil în partea albastră a spectrului, cu o sensibilitate de vârf la 480 nm - foarte asemănător cu „albastrul” unui cer albastru senin. Acest sistem de detectare a luminii a evoluat pentru a fi independent din punct de vedere anatomic și funcțional de sistemul vizual și, probabil, a evoluat înaintea vederii ca modalitate principală de detectare a luminii pentru antrenarea ritmurilor zilnice. În mod remarcabil, pRGC-urile pot încă detecta lumina pentru a schimba ceasul circadian sau pentru a afecta vigilența chiar și la animale sau la oameni la care bastonașele și conurile folosite pentru vedere sunt complet distruse și care, altfel, sunt complet orbi. Acest lucru ridică implicații importante pentru oftalmologii care nu sunt în mare măsură conștienți de acest nou sistem fotoreceptor și de impactul său asupra fiziologiei umane.

Având în vedere sensibilitatea la culoare a Opn4, putem estima că lumina albastră ar trebui să fie cea mai eficientă lungime de undă (culoare) pentru schimbarea ritmurilor circadiene și pentru alertarea sistemelor de excitare. În toate studiile întreprinse până în prezent, acest lucru s-a dovedit a fi valabil. Expunerea la lumină albastră pe timp de noapte este cea mai eficientă în schimbarea timpului ceasului circadian, reducerea somnolenței, îmbunătățirea timpilor de reacție și activarea zonelor creierului care mediază vigilența și somnul.

Pe lângă spectrul său, sincronizarea luminii, durata, modelul și istoricul interacționează cu toate pentru a influența ritmurile circadiene și vigilența. Temporizarea luminii este deosebit de importantă. Lumina poate avansa (mers la culcare mai devreme) sau poate întârzia (mers la culcare mai târziu) sistemul circadian, în funcție de momentul expunerii. În condițiile expunerii la lumina solară, lumina din apropierea amurgului provoacă o întârziere a ceasului, în timp ce expunerea la lumină în jurul zorilor va avansa ceasul. Acest efect de întârziere și de avansare a luminii menține SCN blocat pe ziua solară.

Astfel de efecte diferențiale ale luminii devin extrem de importante atunci când încercați să înțelegeți impactul diferenței de fus orar, al muncii în schimburi (vezi mai jos) sau al proiectării clădirii asupra orei de culcare/trezire. pRGC-urile nu sunt la fel de sensibile la lumină ca bastonașele și conurile, astfel încât expunerea scurtă la lumină, pe care sistemul vizual o detectează ușor , nu este recunoscută de pRGC-uri. Cu toate acestea, lumina slabă poate avea efect dacă este livrată pe perioade lungi. Astfel, lumina relativ slabă a camerei din interior furnizată de la lămpile de noptiere și ecranele computerelor (mai puțin de 100 de lux) poate avea efecte măsurabile asupra ceasului și sistemelor de excitare pe parcursul mai multor ore și poate exacerba tulburările de somn.

În mod colectiv, aceste efecte ale luminii – compoziția spectrală, timpul de expunere și luminozitatea – au aplicații clinice și profesionale pe scară largă nu numai în tratarea tulburărilor de somn și a oboselii, ci și în arhitectura spitalelor, școlilor, birourilor, spațiilor comerciale și clădirilor casnice.

Perturbarea ceasului – munca în ture și societăți 24/7

Introducerea electricității și a luminii artificiale în secolul al XIX-lea și restructurarea timpului de lucru ne-au desprins progresiv de ciclurile solare de 24 de ore de lumină și întuneric. Consecința a fost perturbarea sistemului circadian și de somn. S-a scris mult despre efectele acestei perturbări și, în termeni generali, efectele sunt clare (Tabelul 1). Perturbarea somnului și a ritmului circadian are ca rezultat deficite de performanță care includ erori crescute, vigilență scăzută, memorie slabă, timpi de reacție mentală și fizică reduși și motivație redusă.

Deprivarea de somn și perturbarea somnului sunt, de asemenea, asociate cu o serie de anomalii metabolice, inclusiv axa glucoză/insulină. De exemplu, persoanele cu tulburări de somn au nevoie de mai mult pentru a regla nivelul glucozei din sânge, iar insulina poate scădea la niveluri observate în stadiile incipiente ale diabetului zaharat – anomalii care pot fi inversate prin somn normal.

Astfel de rezultate au sugerat că perturbarea somnului și a ritmului circadian pe termen lung ar putea contribui la afecțiuni cronice precum diabetul, obezitatea și hipertensiunea arterială. În plus, obezitatea este strâns corelată cu apneea în somn și, prin urmare, cu tulburări suplimentare de somn. În aceste circumstanțe, poate rezulta adesea o buclă de feedback pozitiv periculoasă a obezității și tulburărilor de somn. Lipsa somnului și perturbarea ritmului circadian sunt cele mai evidente la lucrătorii în ture de noapte. Peste 20% din populația cu vârstă eligibilă pentru angajare lucrează cel puțin o parte din timp în afara orelor 07.00–19.00.

Faze lungi ale evoluției umane au avut loc în lumina puternică a soarelui. Cu toate acestea, acest lucru s-a schimbat de la începutul erei industriale – având consecințe asupra sănătății și psihicului nostru care devin cunoscute doar treptat în prezent.

Josephine Arendt de la Universitatea din Surrey subliniază: „Din cauza expunerii în schimbare rapidă și conflictuală între lumină și întuneric și comportamentului de activitate-odihnă, lucrătorii în schimburi pot avea simptome similare cu cele ale diferenței de fus orar. Deși călătorii se adaptează în mod normal la noul fus orar, lucrătorii în ture trăiesc de obicei defazat față de reperele orare locale”. Chiar și după 20 de ani de muncă în ture de noapte, indivizii nu își vor schimba în mod normal ritmurile circadiene ca răspuns la cerințele muncii pe timp de noapte.

În ciuda varietății și complexității mari a „sistemelor în schimburi”, niciunul nu a reușit să atenueze pe deplin problemele circadiene asociate cu munca în schimburi. Metabolismul, împreună cu vigilența și performanța, sunt încă ridicate în timpul zilei când lucrătorul în tura de noapte încearcă să doarmă și scăzute noaptea când individul încearcă să lucreze. O fiziologie nealiniată împreună cu somnul de proastă calitate la lucrătorii în ture de noapte a fost asociată cu o mortalitate din cauză cardiovasculară crescută, o incidență de opt ori mai mare a ulcerelor peptice și un risc mai mare de apariție a unor forme de cancer. Alte probleme includ un risc mai mare de accidente, oboseală cronică, somnolență excesivă, tulburări de somn și rate mai mari de abuz de substanțe și depresie. Lucrătorii în ture de noapte sunt, de asemenea, mult mai predispuși să își considere locurile de muncă ca fiind extrem de stresante.

Așadar, de ce lucrătorii în ture nu își schimbă ceasul? La urma urmei, dacă călătorim în mai multe fusuri orare, ne refacem după diferența de fus orar și ne adaptăm la ora locală. Răspunsul pare să fie că pRGC-urile care antrenează sistemul circadian sunt destul de insensibile la lumină. Ceasul răspunde întotdeauna la lumina naturală intensă a soarelui, în detrimentul luminii artificiale slabe întâlnite în mod obișnuit la locul de muncă. Nu este evident, dar la scurt timp după zorii zilei, lumina naturală este de aproximativ 50 de ori mai intensă decât iluminatul normal din birou (300–500 lux), iar la amiază lumina naturală poate fi de 500 până la 1.000 de ori mai intensă – chiar și în Europa de Nord.

Astfel, expunerea la lumină naturală puternică în drumul către și de la locul de muncă, combinată cu niveluri scăzute de lumină la locul de muncă, adaptează muncitorul din tura de noapte la ora locală. În acest fel, timpul biologic și cel social sunt în mod persistent nealiniate la lucrătorii în ture de noapte. În absența luminii naturale, totuși, ceasul va răspunde în cele din urmă la lumina creată de om. Teoretic, aceste informații ar putea fi folosite pentru a dezvolta contramăsuri practice la problemele muncii de noapte.

Cu toate acestea, cei mai mulți lucrători în ture de noapte preferă să nu fie adaptați la un ciclu de somn-veghe inversat, deoarece le place să-și petreacă timpul liber cu familia și prietenii la vigilență maximă. O sugestie a fost selectarea persoanelor pentru munca în schimburi pe baza preferințelor lor diurne – „bufnițele” au, în mod natural, o vigilență mai bună la ore ulterioare și fac lucrători mai buni în schimbul de noapte, în timp ce „ciocârliile” se adaptează de obicei mai bine la turele de dimineață devreme.

Ilustrație: Ulrika Nilsson Carlsson

Există tot mai multe dovezi ale unei interacțiuni complexe și importante între ritmul circadian/tulburarea somnului și sistemul imunitar. Șobolanii privați de somn mor rapid de septicemie, iar la oameni, activitatea celulelor ucigașe naturale poate fi redusă cu până la 28% după o singură noapte fără somn. Perturbarea somnului modifică, de asemenea, multe alte aspecte ale sistemului imunitar, inclusiv complexele imune circulante, răspunsurile secundare ale anticorpilor și absorbția de antigen. Cortizolul oferă o legătură importantă între sistemul imunitar, somn și stresul psihologic. Perturbarea somnului și stresul psihologic susținut cresc nivelul de cortizol din sânge. Într-adevăr, o noapte de somn pierdută poate crește nivelul de cortizol cu aproape 50% în seara următoare.

Nivelurile ridicate de cortizol acționează pentru a suprima sistemul imunitar, astfel încât oamenii excesiv de obosiți au mai multe șanse de a contracta o infecție. În acest context, lucrătorii în ture de noapte prezintă un risc mai mare de a dezvolta anumite tipuri de cancer și au existat speculații considerabile cu privire la cauză. Având în vedere stresul fiziologic considerabil și lipsa somnului asociate cu munca în ture de noapte, afectarea imunității ar putea oferi o legătură mecanică cu riscul crescut de cancer la lucrătorii în ture de noapte.

Concluzii și perspective

Discuția din acest articol a luat în considerare atât biologia timpului intern, cât și unele dintre problemele generale cu care ne confruntăm dacă ignorăm rolul somnului și al ceasului circadian în viața noastră. Acum este clar că somnul de calitate slabă, schimbările de dispoziție, performanța cognitivă scăzută, abilitățile de comunicare reduse și un risc mai mare de îmbolnăvire pot apărea ca urmare a cerințelor unei societăți cu pretenții de activitate 24/7. Una dintre consecințele acestei tulburări a funcției creierului este dependența unei părți mari a societății de stimulente diurne și sedative pe timp de noapte pentru a înlocui ordinea impusă în mod normal de sistemul circadian.

Munca în ture este poate cel mai extrem exemplu, dar nu ar trebui să ignorăm faptul că mulți dintre copiii noștri din școli, profesioniștii din domeniul sănătății din spitale și forțele de muncă din producție și afaceri sunt izolați de lumina naturală. Acest lucru nu numai că le va crește predispoziția de a avea perturbări de ritm circadian și tulburări de somn, dar va avea și un impact semnificativ asupra cogniției, dispoziției și a stării de bine.

Suntem o specie care a evoluat în condiții de lumină puternică – chiar și într-o zi înnorată în Europa, lumina naturală este în jur de 10.000 de lux și poate ajunge până la 100.000 de lux în zilele cu soare puternic. Cu toate acestea, trăim în case și lucrăm în birouri, fabrici, școli și spitale care sunt adesea izolate de lumina naturală și unde lumina artificială este adesea în jur de 200 de lux și rareori depășește 400-500 de lux. Ne trăim viața în peșteri întunecoase. Designul arhitectural modern are oportunitatea, lăsând lumina să intre în viețile noastre, să elibereze umanitatea din întuneric și să permită corpului nostru să folosească modelul natural al luminii și al întunericului pentru a ne optimiza biologia.

Lectură suplimentară:

1. Foster, R.G. & Kreitzman, L. (2004) Rhythms of Life: The biological clocks that control the daily lives of every living thing. Profile Books, London.
2. Foster, R.G. & Wulff, K. (2005) The rhythm of rest and excess. Nat Rev Neurosci, 6, 407–414.
3. Foster, R.G. & Hankins, M.W. (2007) Circadian vision. Curr Biol, 17, R746–751.
4. Rajaratnam, S.M. & Arendt, J. (2001) Health in a 24-h society. Lancet, 358, 999–1005.
5. Zaidi, F.H., Hull, J.T., Peirson, S.N., Wulff, K., Aeschbach, D., Gooley, J.J., Brainard, G.C., Gregory-Evans, K., Rizzo III, J.F., Czeisler, C.A., Foster, R.G., Moseley, M.J. & Lockley, S.W. (2007) Short-wavelength light sensitivity of circadian, pupillary and visual awareness in humans lacking an outer retina. Curr Biol, 17, 2122–2128.