BIOLOŠKI RITMOVI

1. BIOLOŠKI RITMOVI

2. Biološki ritmovi = cikličke promjene u raznim fiziološkim i psihičkim funkcijama. • Razlikuju se s obzirom na periode: • cirkadijurni (dnevni) • cirkalunarni • cirkaanualni (sezonski) • Najizraženiji biološki ritam je izmjena budnosti i spavanja • No, cikličke promjene postoje i u disanju, pulsu, izlučivanju hormona, tjelesnoj temperaturi, motoričkoj aktivnosti, radnoj uspješnosti, itd.

3. Core body temperature Cortisol Primjeri cirkadijurnih ritmova kod ljudi(Czeisler and Khalsa, 2000) Urine volume Thyroid Stimulating Hormone Growth Hormone Prolactin Parathyroid Hormone Motor activity Time

4. Endogeni cirkadijurni ritmovi • = cikličke promjene koje se odvijaju u 20-28 satnim ciklusima • najbolje istraženi od svih bioloških ritmova • Cirkadijurne ritmove nalazimo i u biljnom i životinjskom svijetu • Kod životinja nalazimo i cirkaanualne ili sezonske ritmove kojima su regulirane pojave poput npr. selidbe ptica, hibernacije, i sl. • Budući da biološki ritmovi perzistiraju i u potpuno konstantnim vanjskim uvjetima, smatra se da u organizmu postoje određeni sustavi, biološki satovi, koji dovode do cikličkih oscilacija u nekim funkcijama. • Ispitivanja su pokazala da biološki satovi nisu nezavisni od cikličkih promjena u okolini živog bića: • vanjske promjene sinkroniziraju biološke satove na 24-satne periode • vanjski podešivači nazvani su "Zeitgeberi" (engl. time givers) • jedan od najznačajnijih zeitgebera za kopnena bića je cikličko izmjenjivanje svjetla i tame u okolini ( za neke morske životinje to su plima i oseka)

6. Kod čovjeka ciklus budnosti i spavanja traje 24 - 25 sati: • čovjekov unutarnji sat nije udešen na točno 24 sata, već na 24 1/2 - 24 ¾ • svakoga dana moramo se malo prilagoditi da bismo bili u fazi s vanjskim svijetom • U okolini bez zeitgebera većina ljudi će usvojiti slobodni ritam od nešto više od 24 sata • Vikendima, kad smo slobodniji da se ponašamo u skladu s onim što nam odgovara, imamo tendenciju da dulje ostanemo budni i da kasnije ustanemo: • u ponedjeljak ujutro, kad sat kaže da je 7, naš biološki sat kaže da je tek 5 sati. • Tipičan slobodni ritam budnosti i spavanja – sudionik je bez ikakvih vanjskih pokazatelja vremena išao spavati svakih cca 25.3 sata tijekom mjesec dana

7. Entrainment by light in a human subject Moore-Ede, 1982 Time of Day (hours) Scheduled rest-activity Unscheduled “free-running” Scheduled light-dark schedule Unscheduled “free-running” Scheduled light-dark schedule

8. Može li se čovjekov biološki sat promijeniti tako da daje drugačiji endogeni ritam? • Brojna su istraživanja koja su pokušala odgovoriti na to pitanje: • U jednom istraživanju dva su dobrovoljca provela mjesec dana u izolaciji u spilji u Kentuckyju: • konstantna temperatura (12° C) i vlažnost (100%) • jedino svjetlo bilo je umjetno osvjetljenje, kontrolirano po fiksnom rasporedu: nametnut im je 28-satni dan - 19 sati aktivnosti izmjenjivalo se s 9 sati spavanja. • Rezultati: • Jedan od dobrovoljaca relativno se dobro prilagodio novom rasporedu: ciklus tjelesne temperature odgovarao je ciklusu aktivnosti, tako da mu je tjelesna temperatura bila najniža dok je spavao • Međutim, uvijek je bio pospan znatno prije vremena predviđenog za spavanje, i bilo mu se teško probuditi u predviđeno vrijeme • Kod drugog je ispitanika prilagodba bila znatno lošija: • Uvijek mu se spavalo u njegovo uobičajeno vrijeme (dakle, svakih 24 sata) i tjelesna temperatura mu je također fluktuirala u 24-satnom ciklusu • Niti na kraju mjeseca nije pokazivao znakove prilagodbe 28-satnom ciklusu

9. U drugom pokusu grupa od 12 ljudi živjela je u okolini nalik na pećinu, izolirana od danjeg svjetla 3 tjedna. • Za razliku od prethodnog pokusa, ovi su sudionici imali sat • Dogovoren je fiksni raspored budnosti i spavanja: uvijek su išli spavati u 23 sata 45 minuta, a budili se u 7 sati 45 minuta • Sudionici nisu znali da je sat u početku išao točno, a zatim sve brže, sve dok ne bi završio dan u samo 22 sata • Rezultati: • kad je dan trajao 23 sata, ljudi su posve normalno funkcionirali, nisu se žalili na poteškoće vezane uz vrijeme odlaska na spavanje ili buđenje • kod 22-satnog dana samo je jedan pojedinac uspio održati ritam sa satom • Bilo je i drugih sličnih eksperimenata, i u pravilu se može reći da je prilagođavanje bilo to uspješnije što je nametnuti ritam bio bliži 24-satnom → ljudi se teško mogu naviknuti na ritmove koji su bitno drugačiji od 24-satnog

10. Jet lag • zanimljiva pojava u prilagođavanju našeg biološkog sata javlja se kad putovanjem mijenjamo vremenske zone • Kad putujemo na zapad, ostajemo budni do kasnije navečer i ujutro kasnije ustajemo no što bismo kod kuće. • Takva promjena, čak i u slučaju pomaka od 7 vremenskih zona pričinjava tek male poteškoće. • Kod putovanja na istok, moramo ići ranije spavati i ranije ustati nego kod kuće (npr. u slučaju pomaka od 7 vremenskih zona, moramo leći usred popodneva i ustati usred noći) • Ova vrsta promjene izaziva velike teškoće. • Kod grupe zdravih ljudi koji su otputovali 7 vremenskih zona na istok praćenjem je ustanovljeno da im je trebalo punih jedanaest dana da uhvate normalni ritam. • Poremećaji vezani uz učestalu promjenu ritma budnosti i spavanja velik su problem kod smjenskog rada, koji je sve češći u suvremenom društvu • Pokazalo se da je pomak faze unaprijed bolji od pomaka unatrag

11. Single-occupant motor vehicle crashesPack et al., Sleep, 1995

12. Imamo li jedan ili više bioloških satova? • cikličke promjene postoje u spavanju i budnosti, tjelesnoj temperaturi, frekvenciji uzimanja hrane i pića, izlučivanju određenih hormona, te mnogim drugim varijablama • Je li u osnovi svih tih ritmova jedan biološki sat ili ih ima više? • Čini se da kod ljudi postoje barem dva biološka sata • U nekim pokusima su ljudima izoliranim od sunčeve svjetlosti i drugih veza s vanjskim svijetom dopustili da odlaze na spavanje i bude se kako god ih je volja, a da ne znaju koliko je sati • Većina sudionika je zadržala konstantni 24-25 satni ritam, no kod nekih su se javili posve neobični ritmovi - kod jednog ekstremnog pojedinca čak 29 sati budnosti, pa 21 sat sna. • Kod svih su sudionika ritmovi hranjenja, pijenja, mokrenja, sekrecije hormona bili ujednačeni s ritmom spavanja i budnosti. • Međutim, tjelesna temperatura nije. • Uobičajeno, tjelesna temperatura raste sredinom dana na nešto preko 37 stupnjeva, dok noću pada na tek nešto više od 36 - ove promjene temperature nastavljaju slijediti 24-satni ritam, čak i kad osoba posve promijeni ritam spavanja i budnosti. • Iz toga bi slijedilo da kod ljudi jedan mehanizam kontrolira razinu aktivnosti, a drugi tjelesnu temperaturu. • Oni su obično sinkronizirani, no pod nekim okolnostima mogu funkcionirati nesinkronizirano.

13. Neurofiziološka osnova bioloških satova • Istraživanja provedena na štakorima ukazuju da je glavni biološki sat, barem kod te životinjske vrste, smješten u nucleus suprachiasmaticusu (SCN), jezgri u medijalnom dijelu hipotalamusa, iznad chiasme opticum • Uništenje te jezgre dovodi do prestanka cikličkih promjena u aktivnosti životinje, uzimanju hrane i izlučivanju hormona, ali ne nužno i ritmu tjelesne temperature • Aktivnost živčanih stanica u SCN (frekvencija akcijskih potencijala, koncentracija nekih proteina) ciklički se mijenja

14. Ako se štakoru uništi SCN prestaje cikličko izmjenjivanje spavanja i budnosti, no ukupna količina spavanja ostaje nepromijenjena, samo što je spavanje nepravilno raspoređeno. → SCN nije centar za spavanje!

15. Budući da je svjetlo u okolini glavni zeitgeber za većinu bioloških ritmova, opravdano je očekivati da je SCN povezana s vidnim sustavom. • Nađene su izravne veze između retine i SCN-a –retinohipotalamički put: • Ako se te veze prekinu, svjetlo više ne može resetirati biološki sat iako je vid sačuvan. • Naprotiv, ako se unište vlakna koja vode iz retine u corpus geniculatum laterale, životinja gubi vid, ali svjetlo i dalje određuje njen biološki sat. • Zanimljivo je da informacije SCN-u ne šalju ni štapići ni čunjići: • Kad su miševima ciljno mutirali gene odgovorne za razvoj štapića i čunjića, nije se poremetio sinkronizirajući efekt svjetla • Međutim, kad su im uklonili oči, ritam se poremetio ↓ Postoji poseban fotoreceptor (sadrži melanopsin) odgovoran za sinkronizaciju dnevnih ritmova

17. Light • Output Rhythms • Physiology • Behavior Suprachiasmatic Nuclei (SCN) • SCN je preko izdanaka svojih stanica povezan sa srednjim mozgom, drugim jezgrama u hipotalamusu, drugim diencefaličkim područjima i septumom. Osim putem tih izravnih veza, SCN može djelovati na druga područja u mozgu odgovorna za budnost odnosno spavanje posredstvom neuromodulatora koji se izlučuju iz stanica u SCN-u.

18. SCN nije jedini dio mozga koji je odgovoran za regulaciju bioloških ritmova • Istraživanja na životinjama ukazala su na važnost epifize u regulaciji tzv. sezonskih ili cirkaanualnih ritmova. • Epifiza je žlijezda smještena na vrhu srednjeg mozga, iznad malog mozga. • Izlučuje hormon melatonin, a lučenje melatonina pod utjecajem je SCN-a • SCN je u vezi s epifizom posredno preko simpatičkog živčanog sustava. • Melatonin djeluje na različite dijelove mozga (uključujući SCN) i kontrolira izlučivanje hormona, neke fiziološke procese i ponašanje koje pokazuje sezonske varijacije

19. Kod ljudi su opažene cirkadijurne varijacije u razini melatonina u krvi koje su pod kontrolom SCN-a: razine melatonina najviše su u razdoblju spavanja • Bi li melatonin mogao pospješiti spavanje i pomoći kod rješavanja problema npr. jet laga? • Učinci još nisu dovoljno ispitani, no melatonin se prilično nekritički široko primjenjuje u tu svrhu • U nekim slučajevima melatonin dokazano pomaže, npr. kod pojedinaca koji pate od nesanice zbog nedostatka melatonina

20. Suvremena istraživanja: Najvećim dijelom usmjerena na otkrivanje genetske osnove cirkadijurnih ritmova • Genetske manipulacije na nižim sisavcima i (brojna istraživanja) drosophili melanogaster • Proučavanje obitelji s mutacijama koje izazivaju poremećaje cirkadijurnog ritma