Известия Саратовского университета.

Новая серия. Серия Физика

ISSN 1817-3020 (Print)
ISSN 2542-193X (Online)


Для цитирования:

Меркулова К. О., Литвиненко Е. С., Постнов Д. Э. Влияние светового профиля на циркадные и гомеостатические маркеры в модели переключения «сон-бодрствование» // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2023. Т. 23, вып. 4. С. 328-341. DOI: 10.18500/1817-3020-2023-23-4-328-341, EDN: JYONHJ

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Опубликована онлайн: 
25.12.2023
Полный текст в формате PDF(Ru):
(загрузок: 31)
Язык публикации: 
русский
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
577.359
EDN: 
JYONHJ

Влияние светового профиля на циркадные и гомеостатические маркеры в модели переключения «сон-бодрствование»

Авторы: 
Меркулова Ксения Олеговна, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Литвиненко Елена Сергеевна, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Постнов Дмитрий Энгелевич, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Аннотация: 

Предмет и цель исследования: Целью настоящей работы является исследование влияния формы 24-часового профиля освещенности на поведение модели переключения сон-бодрствование с помощью показателей фаз процессов, регулирующих это переключение, – физиологических маркеров. К ним относятся время минимума внутренней температуры тела, время пика гормона мелатонина в плазме крови, а также времена засыпания и пробуждения. Опираясь на них, можно делать выводы о синхронизме между циркадным, гомеостатическим и суточном ритмами, что является важным критерием для нормальной жизнедеятельности человека. Математическая модель: В качестве модели используется триггерная популяционная модель восходящей активирующей системы, которая опирается на многочисленные экспериментальные данные и демонстрирует приближенный к реальности процесс сон-бодрствование. С помощью нее рассчитывались значения физиологических маркеров и изучалось влияние на них суточного профиля интенсивности при различных режимах работы модели. Результаты и выводы: Результатом нашего исследования можно считать вывод о том, что форма сигнала 24-часового цикла свет-темнота имеет значение при физиологически нормальных значениях интенсивности света, в то время как при малых значениях интенсивности, когда синхронизм ритмов нарушен, она практически не влияет на поведение модели. Кроме того, световой профиль, представленный гармонической функцией, отличается по своему воздействию от других исследованных нами форм профилей и сильнее влияет на моменты переключения между состояниями сон-бодрствование, чем на длительность самих состояний.

Благодарности: 
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 22-15-00143) (Биофизические механизмы дренажных процессов мозга и активации освобождения его тканей от метаболитов во время сна).
Список источников: 
  1. Duffy J. F., Wright Jr. K. P. Entrainment of the human circadian system by light. Journal of Biological Rhythms, 2005, vol. 20, no. 4, pp. 326–338. https://doi.org/10.1177/0748730405277983
  2. LeGates T. A., Fernandez D. C., Hattar S. Light as a central modulator of circadian rhythms, sleep and affect. Nature Reviews Neuroscience, 2014, vol. 15, no. 7, pp. 443–454. https://doi.org/10.1038/nrn3743
  3. Benloucif S., Guico M. J., Reid K. J., Wolfe L. F., ’Hermite-Baériaux M., Zee P. C. Stability of melatonin and temperature as circadian phase markers and their relation to sleep times in humans. Journal of Biological Rhythms, 2005, vol. 20, no. 2, pp. 178–188. https://doi.org/10.1177/0748730404273983
  4. Borbly A. A. From slow waves to sleep homeostasis: New perspectives. Archives Italiennes de Biologie, 2001, vol. 139, no. 1, pp. 53–61.
  5. Woelders T., Beersma D. G., Gordijn M. C., Hut R. A., Wams E. J. Daily light exposure patterns reveal phase and period of the human circadian clock. Journal of Biological Rhythms, 2017, vol. 32, no. 3, pp. 274–286. https://doi.org/10.1177/0748730417696787
  6. 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, 2000, vol. 9, no. 2, pp. 117–127. https://doi.org/10.1046/j.1365-2869.2000.00196.x
  7. Dumont M., Beaulieu C. Light exposure in the natural environment: Relevance to mood and sleep disorders. Sleep Medicine, 2007, vol. 8, no. 6, pp. 557–565. https://doi.org/10.1016/j.sleep.2006.11.008
  8. Healy K. L., Morris A. R., Liu A. C. Circadian synchrony: Sleep, nutrition, and physical activity. Frontiers in Network Physiology, 2021, vol. 1, article no. 732243. https://doi.org/10.3389/fnetp.2021.732243
  9. Boivin D. B., Boudreau P. Impacts of shift work on sleep and circadian rhythms. Pathologie Biologie, 2014, vol. 62, no. 5, pp. 292–301. https://doi.org/10.1016/j.patbio.2014.08.001
  10. Kervezee L., Kosmadopoulos A., Boivin D. B. Metabolic and cardiovascular consequences of shift work: The role of circadian disruption and sleep disturbances. European Journal of Neuroscience, 2020, vol. 51, no. 1, pp. 396–412. https://doi.org/10.1111/ejn.14216
  11. Mohd Azmi N. A. S., Juliana N., Mohd Fahmi Teng N. I., Azmani S., Das S., Effendy N. Consequences of circadian disruption in shift workers on chrononutrition and their psychosocial well-being. International Journal of Environmental Research and Public Health, 2020, vol. 17, no. 6, article no. 2043. https://doi.org/10.3390/ijerph17062043
  12. Bonmati-Carrion M. A., Arguelles-Prieto R., MartinezMadrid M. J., Reiter R., Hardeland R., Rol M. A., Madrid J. A. Protecting the melatonin rhythm through circadian healthy light exposure. International Journal of Molecular Sciences, 2014, vol. 15, no. 12, pp. 23448–23500. https://doi.org/10.3390/ijms151223448
  13. Casjens S., Brenscheidt F., Tisch A., Beermann B., Büning T., Behrens T., Rabstein S. Social jetlag and sleep debts are altered in different rosters of night shift work. PloS ONE, 2022, vol. 17, no. 1, article no.e0262049. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0262049
  14. Hulsegge G., Loef B., van Kerkhof L. W., Roenneberg T., van der Beek A. J., Proper K. I. Shift work, sleep disturbances and social jetlag in healthcare workers. Journal of Sleep Research, 2019, vol. 28, no. 4, article no. e12802. https://doi.org/10.1111/jsr.12802
  15. Sűdy Á. R., Ella K., Bódizs R., Káldi K. Association of social jetlag with sleep quality and autonomic cardiac control during sleep in young healthy men. Frontiers in Neuroscience, 2019, vol. 13, article no. 950. https://doi.org/10.3389/fnins.2019.00950
  16. Deacon S., Arendt J. Adapting to phase shifts. I. An experimental model for jet lag and shift work. Physiology & Behavior, 1996, vol. 59, no. 4–5, pp. 665–673. https://doi.org/10.1016/0031-9384(95)02147-7
  17. Zhang F., Li W., Li H., Gao S., Sweeney J. A., Jia Z., Gong Q. The effect of jet lag on the human brain: A neuroimaging study. Human Brain Mapping, 2020, vol. 41, no. 9, pp. 2281–2291. https://doi.org/10.1002/hbm.24945
  18. Skeldon A. C., Phillips A. J. K., Dijk D. J. The effects of self-selected light-dark cycles and social constraints on human sleep and circadian timing: A modeling approach. Scientific Reports, 2017, vol. 7, no. 1, pp. 1–14. https://doi.org/10.1038/srep45158
  19. Putilov A. A., Verevkin E. G. Simulation of the ontogeny of social jet lag: A shift in just one of the parameters of a model of sleep-wake regulating process accounts for the delay of sleep phase across adolescence. Frontiers in Physiology, 2018, vol. 9, article no. 1529. https://doi.org/10.3389/fphys.2018.01529
  20. van Leeuwen W. M. A., Pekcan C., Barnett M., Kecklund G. Mathematical modelling of sleep and sleepiness under various watch keeping schedules in the maritime industry. Marine Policy, 2021, vol. 130, article no. 104277. https://doi.org/10.1016/j.marpol.2020.104277
  21. Dumont M., Benhaberou-Brun D., Paquet J. Profile of 24-h light exposure and circadian phase of melatonin secretion in night workers. Journal of Biological Rhythms, 2001, vol. 16, no. 5, pp. 502–511. https://doi.org/10.1177/074873001129002178
  22. Stefani O., Freyburger M., Veitz S., Basishvili T., Meyer M., Weibel J., Kobayashi K., Shirakawa Y., Cajochen C. Changing color and intensity of LED lighting across the day impacts on circadian melatonin rhythms and sleep in healthy men. Journal of Pineal Research, 2021, vol. 70, no. 3, article no. e12714. https://doi.org/10.1111/jpi.12714
  23. Wright K. P., McHill A. W., Birks B. R., Griffin B. R., Rusterholz T., Chinoy E. D. Entrainment of the human circadian clock to the natural light-dark cycle. Current Biology, 2013, vol. 23, no. 16, pp. 1554–1558. https://doi.org/10.1016/j.cub.2013.06.039
  24. Postnova S., Lockley S. W., Robinson P. A. Sleep propensity under forced desynchrony in a model of arousal state dynamics. Journal of Biological Rhythms, 2016, vol. 31, no. 5, pp. 498–508. https://doi.org/10.1177/0748730416658806
  25. Borbély A. A. A two process model of sleep regulation. Human Neurobiology, 1982, vol. 1, no. 3, pp. 195–204.
  26. Phillips A. J. K., Robinson P. A. A quantitative model of sleep-wake dynamics based on the physiology of the brainstem ascending arousal system. Journal of Biological Rhythms, 2007, vol. 22, no. 2, pp. 167–179. https://doi.org/10.1177/0748730406297512
  27. Hilaire M. A. S., Klerman E. B., Khalsa S. B. S., Wright Jr. K. P., Czeisler C. A., Kronauer R. E. Addition of a non-photic component to a light-based mathematical model of the human circadian pacemaker. Journal of Theoretical Biology, 2007, vol. 247, no. 4, pp. 583–599. https://doi.org/10.1016/j.jtbi.2007.04.001
  28. Berson D. M. Strange vision: Ganglion cells as circadian photoreceptors. Trends in Neurosciences, 2003, vol. 26, no. 6, pp. 314–320. https://doi.org/10.1016/s0166-2236(03)00130-9
  29. Wong K. Y., Dunn F. A., Graham D. M., Berson D. M. Synaptic influences on rat ganglion-cell photoreceptors. The Journal of Physiology, 2007, vol. 582, no. 1, pp. 279–296. https://doi.org/10.1113/jphysiol.2007.133751
  30. May C. D., Dean D. A., Jewett M. E. A revised definition of core body temperature phase that incorporates both state variables of a limit-cycle human circadian pacemaker model improves model stability at low circadian amplitudes. Society for Research on Biological Rhythms Annual Meeting. Jacksonville, FL, 2002, pp. 22–26.
  31. Shanahan T. L., Czeisler C. A. Light exposure induces equivalent phase shifts of the endogenous circadian rhythms of circulating plasma melatonin and core body temperature in men. The Journal of Clinical Endocrinology & Metabolism, 1991, vol. 73, no. 2, pp. 227–235. https://doi.org/10.1210/jcem-73-2-227
  32. Zeitzer J. M., Dijk D.-J., Kronauer R. E., Brown E. N., Czeisler Ch. A. Sensitivity of the human circadian pacemaker to nocturnal light: melatonin phase resetting and suppression. The Journal of Physiology, 2000, vol. 526, no. 3, pp. 695–702. https://doi.org/10.1111/j.1469-7793.2000.00695.x
  33. Wright K. P. Jr., Gronfier C., Duffy J. F., Czeisler Ch. A. Intrinsic period and light intensity determine the phase relationship between melatonin and sleep in humans. Journal of Biological Rhythms, 2005, vol. 20, no. 2, pp. 168–177. https://doi.org/10.1177/0748730404274265
  34. Nowozin C., Wahnschaffe A., Rodenbeck A., Zeeuw J., Hadel S., Kozakov R., Schopp H., Munch M., Kunz D. Applying melanopic lux to measure biological light effects on melatonin suppression and subjective sleepiness. Current Alzheimer Research, 2017, vol. 14, no. 10, pp. 1042–1052. https://doi.org/10.2174/1567205014666170523094526
  35. Papatsimpa Ch., Linnartz J.-P. Personalized office lighting for circadian health and improved sleep. Sensors, 2020, vol. 20, no. 16, article no. 4569. https://doi.org/10.3390/s20164569
  36. Arendt J. Biological rhythms during residence in polar regions. Chronobiology International, 2012, vol. 29, no. 4, pp. 379–394. https://doi.org/10.3109/07420528.2012.668997
  37. Bellia L., Fragliasso F. New parameters to evaluate the capability of a daylight-linked control system in complementing daylight. Building and Environment, 2017, vol. 123, pp. 223–242. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2017.07.001
  38. GOST R 55710–2013. Lighting of indoor work places. Norms and methods of measuring from 01.07.2014 (reissue – October 2016). National standard of Russian Federation. Available at: http://docs.cntd.ru/document/1200105707 (accessed April 20, 2023)
  39. McHill A. W., Sano A., Hilditch C. J., Barger L. K., Czeisler Ch. A., Picard R., Klerman E. B. Robust stability of melatonin circadian phase, sleep metrics, and chronotype across months in young adults living in real-world settings. Journal of Pineal Research, 2021, vol. 70, no. 3, pp. e12720. https://doi.org/10.1111/jpi.12720
  40. Gooley J. J., Chamberlain K., Smith K. A., Khalsa S. B. S., Rajaratnam Sh. M. W., Van Reen E., Zeitzer J. M., Czeisler Ch. A., Lockley S. W. Exposure to room light before bedtime suppresses melatonin onset and shortens melatonin duration in humans. The Journal of Clinical Endocrinology & Metabolism, 2011, vol. 96, no. 3, pp. E463–E472. https://doi.org/10.1210/jc.2010-2098
  41. Ellis J. G., Allen S. F. Chapter 11. Sleep hygiene and the prevention of chronic insomnia. In: Grandner M. A., ed. Sleep and Health. Academic Press, 2019, pp. 137–145. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-815373-4.00011-3
  42. Cutolo M., Maestroni G. J. M., Otsa K., Aakre O., Villaggio B., Capellino S., Montagna P., Fazzuoli L., Veldi T., Peets T., Hertens E., Sulli A. Circadian melatonin and cortisol levels in rheumatoid arthritis patients in winter time: A North and South Europe comparison. Annals of the Rheumatic Diseases, 2005, vol. 64, no. 2, pp. 212–216. https://doi.org/10.1136/ard.2004.023416
  43. Carter M. D., Juurlink D. N. Melatonin. CMAJ, 2012, vol. 184, no. 17, pp. 1923–1923. https://doi.org/10.1503/cmaj.111765
  44. Spinelli E., Werner J. Jr. Human adaptative behavior to antarctic conditions: A review of physiological aspects. WIREs Mechanisms of Disease, 2022, vol. 14, no. 5, article no. e1556. https://doi.org/10.1002/wsbm.1556
  45. Pikovsky A., Rosenblum M., Kurths J. Synchronization: A universal concept in nonlinear sciences. Cambridge University Press, 2003. 443 p.
  46. Balanov A., Janson N., Postnov D., Sosnovtseva O. From simple to complex. Springer, Berlin, Heidelberg, 2009. 426 p.
Поступила в редакцию: 
06.06.2023
Принята к публикации: 
25.08.2023
Опубликована: 
25.12.2023