Кривая фазового отклика
Кривая фазового отклика ( PRC ) иллюстрирует переходное изменение ( фазовый отклик ) периода цикла колебания, вызванного возмущением, в зависимости от фазы , на которой оно получено. КНР используются в различных областях; примерами биологических колебаний являются сердцебиение, циркадные ритмы и регулярные повторяющиеся импульсы, наблюдаемые в некоторых нейронах в отсутствие шума. [1] [ нужен лучший источник ]
В циркадных ритмах
[ редактировать ]
организма У человека и животных существует регуляторная система, регулирующая соотношение фаз внутренних циркадных часов с регулярной периодичностью во внешней среде (обычно регулируемой солнечными сутками). Для большинства организмов желательно стабильное соотношение фаз, хотя в некоторых случаях желаемая фаза будет меняться в зависимости от сезона, особенно среди млекопитающих с сезонными привычками спаривания.
В исследованиях циркадных ритмов PRC иллюстрирует взаимосвязь между временем введения хронобиотика (относительно внутренних циркадных часов) и величиной воздействия лечения на циркадную фазу. В частности, PRC представляет собой график, показывающий, по соглашению, время эндогенного дня субъекта по оси x и величину фазового сдвига (в часах) по оси y . Каждая кривая имеет один пик и один минимум в каждом 24-часовом цикле. Относительное циркадное время отображается в зависимости от величины фазового сдвига. Лечение обычно узко определяется как установленная интенсивность, цвет и продолжительность воздействия света на сетчатку и кожу или установленная доза и состав мелатонина.
Эти кривые часто используются в терапевтических целях. Обычно различные физиологические ритмы тела синхронизируются внутри отдельного организма (человека или животного), обычно относительно главных биологических часов. Особое значение имеет цикл сон-бодрствование. различные нарушения сна и внешние стрессы (например, смена часовых поясов Этому могут помешать ). Люди с нарушением 24-часового режима сна и бодрствования часто испытывают неспособность поддерживать постоянство внутренних часов. Экстремальные хронотипы обычно поддерживают постоянные часы, но обнаруживают, что их естественные часы не совпадают с ожиданиями их социального окружения. Кривые PRC служат отправной точкой для терапевтического вмешательства. Двумя распространенными методами изменения времени сна являются светотерапия , направленная на глаза, и введение гормона мелатонина , обычно принимаемого перорально. Любой или оба можно использовать ежедневно. Корректировка фазы обычно является кумулятивной при последовательных ежедневных введениях и, по крайней мере частично, аддитивной при одновременном применении различных видов лечения. Если основное нарушение носит стабильный характер, обычно требуется постоянное ежедневное вмешательство. В случае смены часовых поясов вмешательство служит главным образом для ускорения естественного выравнивания и прекращается, как только желаемое выравнивание достигается.
Обратите внимание, что кривые фазового отклика в экспериментальных условиях обычно представляют собой совокупность данных испытуемой популяции, что внутри испытуемой популяции могут быть легкие или значительные различия, что люди с нарушениями сна часто реагируют атипично и что состав хронобиотика может быть специфичным для каждого конкретного случая. экспериментальные условия и обычно недоступны в клинической практике (например, для мелатонина одна форма пролонгированного высвобождения может отличаться по скорости высвобождения по сравнению с другой); кроме того, хотя величина зависит от дозы, [2] не все графики PRC охватывают определенный диапазон доз. Приведенные ниже обсуждения ограничиваются PRC для света и мелатонина у людей.
Свет
[ редактировать ]
Начиная примерно за два часа до обычного сна человека, воздействие света на глаза задерживает циркадную фазу, что приводит к более позднему пробуждению и более позднему наступлению сна. Эффект задержки усиливается с наступлением вечера; это также зависит от длины волны и освещенности («яркости») света. Эффект невелик, если освещение в помещении тусклое (< 3 люкс).
Примерно через пять часов после обычного сна, что совпадает с минимумом температуры тела (самой низкой точкой внутренней температуры тела во время сна), PRC достигает пика, и эффект резко меняется от задержки фазы к опережению фазы. Сразу после этого пика воздействие света оказывает наибольший эффект на опережение фазы, вызывая более раннее пробуждение и наступление сна. Опять же, освещенность сильно влияет на результаты; Освещенность в помещении может составлять менее 500 люкс, а в светотерапии используется до 10 000 люкс. Эффект уменьшается примерно через два часа после спонтанного пробуждения, а затем достигает примерно нуля.
В течение периода между двумя часами после обычного пробуждения и двумя часами до обычного времени сна воздействие света практически не влияет на циркадную фазу (незначительные эффекты обычно нейтрализуют друг друга).
Еще одно изображение КНР для света — здесь (рис. 1) . Внутри этого изображения находится пояснительный текст.
- Область задержки: вечерний свет сдвигает сонливость на более позднее время и
- Передняя область: утренний свет сдвигает сонливость на более раннее время . [3]
Светотерапия, обычно с помощью светового короба, излучающего 10 000 люкс на заданном расстоянии, может использоваться вечером, чтобы отсрочить, или утром, чтобы ускорить время сна человека. Поскольку прекращение сна ради получения яркого света считается нежелательным для большинства людей, и поскольку очень сложно точно оценить, когда у человека произойдет наибольший эффект (пик PRC), лечение обычно применяется ежедневно перед сном ( для достижения задержки фазы) или сразу после спонтанного пробуждения (для достижения опережения фазы).
Помимо использования для регулирования циркадных ритмов, светотерапия используется для лечения некоторых аффективных расстройств, включая сезонное аффективное расстройство (САР). [4]
В 2002 году исследователи из Университета Брауна под руководством Дэвида Берсона объявили об открытии в человеческом глазу особых клеток , ipRGC ( собственно светочувствительные ганглиозные клетки сетчатки ). [5] которые, как теперь полагают многие исследователи, контролируют эффект уноса света на кривой фазового отклика. В человеческом глазу ipRGC имеют наибольшую реакцию на свет в диапазоне 460–480 нм (синий). В одном эксперименте 400 люкс синего света произвели тот же эффект, что и 10 000 люкс белого света от флуоресцентного источника. [6] Теория спектральной оппозиции, согласно которой добавление других спектральных цветов делает синий свет менее эффективным для циркадной фототрансдукции, была подтверждена исследованиями, опубликованными в 2005 году. [7]
Мелатонин
[ редактировать ]Кривая фазового отклика мелатонина примерно на двенадцать часов сдвинута по фазе с кривой фазового отклика света. [8] Во время спонтанного пробуждения экзогенный (вводимый извне) мелатонин оказывает небольшой эффект задержки фазы. Величина задержки фазы увеличивается примерно до восьми часов после пробуждения, когда эффект резко меняется от сильной задержки фазы к сильному опережению фазы. Эффект опережения фазы уменьшается с течением дня, пока не достигнет нуля перед сном. От обычного времени сна до пробуждения экзогенный мелатонин не влияет на циркадную фазу. [9] [10]
Организм человека вырабатывает собственный ( эндогенный ) мелатонин примерно за два часа до сна, при условии тусклого освещения. Это известно как появление мелатонина при тусклом свете , DLMO. [11] Это стимулирует фазовую часть PRC и помогает поддерживать регулярный график сна и бодрствования в организме. Это также помогает подготовить организм ко сну.
Введение мелатонина в любое время может иметь легкий снотворный эффект. Ожидаемое влияние на время фазы сна, если таковое имеется, прогнозируется КНР.
Аддитивные эффекты
[ редактировать ]В исследовании 2006 года Victoria L. Revell et al. показали, что комбинация утреннего яркого света и дневного мелатонина, синхронизированных по фазе в соответствии с соответствующими PRC, производят больший сдвиг фазы, чем один только яркий свет, в общей сложности до 2 1 ⁄ часа . Все времена являются приблизительными и варьируются от одного человека к другому. В частности, не существует удобного способа точно определить время пиков и пересечений нуля этих кривых у человека. Введение света или мелатонина близко к моменту, когда ожидается резкое изменение эффекта, может, если время перехода точно не известно, привести к эффекту, противоположному желаемому. [12]
Упражнение
[ редактировать ]В исследовании 2019 года Шон Д. Янгстедт и др. , показали, что у людей «упражнения вызывают циркадные эффекты сдвига фаз, но необходима дополнительная информация. [...] Значительные кривые фазового отклика были установлены для начала aMT6 (производного мелатонина) и акрофазы с большими фазовыми задержками с 19:00. до 22:00 и большие сдвиги фазы как в 7:00, так и с 13:00 до 16:00» [13]
Источник
[ редактировать ]Первое опубликованное использование термина «кривая фазового отклика» было в 1960 году Патрисией ДеКурси. «Суточные» ритмы активности ее белок-летяг , содержавшихся в постоянной темноте, реагировали на импульсы воздействия света. Реакция варьировалась в зависимости от времени суток – то есть субъективного «дня» животных – когда вводился свет. Когда ДеКурси поместила все свои данные, касающиеся количества и направления (наступления или задержки) фазового сдвига на одну кривую, она создала PRC. С тех пор он стал стандартным инструментом при изучении биологических ритмов. [14]
В нейронах
[ редактировать ]Анализ кривой фазового отклика можно использовать для понимания внутренних свойств и колебательного поведения нейронов с регулярными импульсами . [15] Нейрональные PRC можно классифицировать как чисто положительные (PRC типа I) или имеющие отрицательные части (PRC типа II). Важно отметить, что тип PRC, проявляемый нейроном, свидетельствует о его функции ввода-вывода (возбудимости), а также о поведении синхронизации: сети нейронов PRC типа II могут синхронизировать свою активность через взаимные возбуждающие связи, а сети нейронов PRC типа I - нет. [16]
Экспериментальная оценка PRC в живых нейронах с регулярными спайками включает измерение изменений интервала между спайками в ответ на небольшое возмущение, такое как кратковременный импульс тока. Примечательно, что PRC нейрона не фиксирован, но может меняться при изменении частоты срабатывания. [17] или нейромодулирующее состояние нейрона [18] изменено.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Канавье CC (2006). «Фазовая характеристика» . Схоларпедия . 1 (12): 1332. Бибкод : 2006SchpJ...1.1332C . doi : 10.4249/scholarpedia.1332 .
- ^ Берджесс Х.Дж., Ревелл В.Л., Истман К.И. (январь 2008 г.). «Трёхимпульсная фазовая кривая реакции на три миллиграмма мелатонина у человека» . Журнал физиологии . 586 (2): 639–47. дои : 10.1113/jphysicalol.2007.143180 . ПМЦ 2375577 . ПМИД 18006583 .
- ^ Крипке Д.Ф., Любя RT (2001). «Открытие терапии» . Обзор сна (1).
- ^ Уолш Дж., Аткинсон Л.А., Корлетт С.А., Лалл Г.С. (2014). «Взгляд на свет как хронобиологическую терапию» . Хронофизиология и терапия . 4 : 79–85. дои : 10.2147/CPT.S56589 . Проверено 31 мая 2015 г.
- ^ Коричневые ученые раскрывают внутреннюю работу редких глазных клеток
- ^ Гликман Г., Бирн Б., Пинеда С., Хаук В.В., Брейнард Г.К. (март 2006 г.). «Светотерапия сезонных аффективных расстройств синими узкополосными светодиодами (СИД)» . Биологическая психиатрия . 59 (6): 502–7. doi : 10.1016/j.biopsych.2005.07.006 . ПМИД 16165105 . S2CID 42586876 .
- ^ Фигейро М.Г., Буллоу Дж.Д., Бирман А., Ри М.С. (октябрь 2005 г.). «Демонстрация нарушения аддитивности в циркадной фототрансдукции человека». Письма по нейроэндокринологии . 26 (5): 493–8. ПМИД 16264413 .
- ^ Леви А.Дж., Ахмед С., Джексон Дж.М., Сак Р.Л. (октябрь 1992 г.). «Мелатонин сдвигает циркадные ритмы человека в соответствии с кривой фазового отклика». Хронобиология Интернэшнл . 9 (5): 380–92. дои : 10.3109/07420529209064550 . ПМИД 1394610 .
- ^ Берджесс Х.Дж., Ревелл В.Л., Истман К.И. (январь 2008 г.). «Трёхимпульсная фазовая кривая реакции на три миллиграмма мелатонина у человека» . Журнал физиологии . 586 (2): 639–47. дои : 10.1113/jphysicalol.2007.143180 . ПМЦ 2375577 . ПМИД 18006583 .
- ^ Леви А. (июль 2010 г.). «Клинические последствия кривой фазового ответа мелатонина» . Журнал клинической эндокринологии и метаболизма . 95 (7): 3158–60. дои : 10.1210/jc.2010-1031 . ПМЦ 2928905 . ПМИД 20610608 .
- ^ Слеттен Т.Л., Винченци С., Редман-младший, Локли С.В., Раджаратнам С.М. (2010). «Время сна и его связь с эндогенным ритмом мелатонина» . Границы в неврологии . 1 : 137. doi : 10.3389/fneur.2010.00137 . ПМК 3008942 . ПМИД 21188265 .
- ^ Ревелл В.Л., Берджесс Х.Дж., Газда С.Дж., Смит М.Р., Фогг Л.Ф., Истман С.И. (январь 2006 г.). «Улучшение циркадных ритмов человека с помощью дневного мелатонина и утреннего прерывистого яркого света» . Журнал клинической эндокринологии и метаболизма . 91 (1): 54–9. дои : 10.1210/jc.2005-1009 . ПМК 3841985 . ПМИД 16263827 .
- ^ Янгстедт С.Д., Эллиотт Дж.А., Крипке Д.Ф. (апрель 2019 г.). «Кривые циркадной фазовой реакции человека на физические упражнения» . Журнал физиологии . 597 (8): 2253–2268. дои : 10.1113/JP276943 . ПМК 6462487 . ПМИД 30784068 .
- ^ Живкович Б (2007). «Урок по часам № 3c — Дарвин вовремя» . Блог круглосуточно . ООО «Научные блоги». Архивировано из оригинала 19 мая 2012 г. Проверено 3 ноября 2007 г.
[КНР является] единственным важнейшим методологическим инструментом в изучении всех биологических ритмов .
- ^ Гуткин Б.С., Эрментроут ГБ, Рейес А.Д. (август 2005 г.). «Кривые фазового отклика отражают реакцию нейронов на временные входные сигналы». Журнал нейрофизиологии . 94 (2): 1623–35. CiteSeerX 10.1.1.232.4206 . дои : 10.1152/jn.00359.2004 . ПМИД 15829595 .
- ^ Эрментроут Б (июль 1996 г.). «Мембраны типа I, кривые фазового сброса и синхронность». Нейронные вычисления . 8 (5): 979–1001. дои : 10.1162/neco.1996.8.5.979 . ПМИД 8697231 . S2CID 17168880 .
- ^ Цубо Ю., Такада М., Рейес А.Д., Фукаи Т. (июнь 2007 г.). «Слоистые и частотные зависимости фазовых характеристик пирамидных нейронов моторной коры крыс» . Европейский журнал неврологии . 25 (11): 3429–41. дои : 10.1111/j.1460-9568.2007.05579.x . ПМИД 17553012 . S2CID 1232793 . Архивировано из оригинала 5 января 2013 г.
- ^ Штифель К.М., Гуткин Б.С., Сейновский Т.Ю. (2008). Эрментраут Б (ред.). «Холинергическая нейромодуляция изменяет форму и тип кривой фазового ответа в кортикальных пирамидных нейронах» . ПЛОС ОДИН . 3 (12): е3947. Бибкод : 2008PLoSO...3.3947S . дои : 10.1371/journal.pone.0003947 . ПМК 2596483 . ПМИД 19079601 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Розенталь Н.Е., Джозеф-Вандерпул Дж.Р., Левендоски А.А., Джонстон Ш., Аллен Р., Келли К.А. и др. (август 1990 г.). «Эффекты фазового сдвига яркого утреннего света как лечение синдрома задержки фазы сна». Спать . 13 (4): 354–61. ПМИД 2267478 .
- Леви А., Сак Р., Фредриксон Р. (1983). «Использование яркого света в лечении хронобиологических расстройств сна и настроения: кривая фазового ответа». Психофармакол Булл . 19 : 523–5.
- Леви А.Дж., Ахмед С., Джексон Дж.М., Сак Р.Л. (октябрь 1992 г.). «Мелатонин сдвигает циркадные ритмы человека в соответствии с кривой фазового отклика». Хронобиология Интернэшнл . 9 (5): 380–92. дои : 10.3109/07420529209064550 . ПМИД 1394610 .
- Фигейро М.Г., Ри М.С. (2010). «Недостаток коротковолнового света в течение школьного дня замедляет выработку мелатонина при тусклом свете (DLMO) у учащихся средних классов» . Письма по нейроэндокринологии . 31 (1): 92–6. ПМЦ 3349218 . ПМИД 20150866 .