Световые эффекты на циркадный ритм

Влияние света на циркадный ритм — это реакция циркадных ритмов на свет .

Большинство животных и других организмов имеют биологические часы, которые синхронизируют их физиологию и поведение с ежедневными изменениями в окружающей среде. Физиологические изменения, которые следуют за этими часами, известны как циркадные ритмы . Поскольку эндогенный период этих ритмов составляет приблизительно, но не точно 24 часа, эти ритмы должны быть сброшены внешними сигналами для синхронизации с дневными циклами в окружающей среде. [1] Этот процесс называется подгонкой . Одним из самых важных сигналов для подгонки циркадных ритмов является свет.

Механизм

Свет сначала попадает в систему млекопитающего через сетчатку , а затем следует по одному из двух путей: свет собирается палочками , колбочками и ганглиозными клетками сетчатки (РГК), или он напрямую собирается этими ганглиозными клетками. [2] [3] [4] [5]

RGC используют фотопигмент меланопсин для поглощения световой энергии. [2] [3] [4] [5] В частности, этот класс обсуждаемых RGC называется «внутренне светочувствительным», что просто означает, что они чувствительны к свету. [2] [6] [4] Существует пять известных типов внутренне светочувствительных ганглиозных клеток сетчатки (ipRGC) : M1, M2, M3, M4 и M5. [4] Каждый из этих различных типов ipRGC имеет различное содержание меланопсина и светочувствительность. [7] Они соединяются с амакриновыми клетками во внутреннем плексиформном слое сетчатки . [4] В конечном итоге через этот ретиногипоталамический тракт (RHT) супрахиазматическое ядро ​​(SCN) гипоталамуса получает световую информацию от этих ipRGC. [2] [ 3] [4] [5]

ipRGC выполняют иную функцию, чем палочки и колбочки, даже будучи изолированными от других компонентов сетчатки, ipRGC сохраняют свою фоточувствительность и, как следствие, могут быть чувствительны к различным диапазонам светового спектра . [7] Кроме того, паттерны активации ipRGC могут реагировать на условия освещенности всего лишь в 1 люкс , тогда как предыдущие исследования показали, что для подавления выработки мелатонина требуется 2500 люкс. [7] Было показано, что циркадные и другие поведенческие реакции более чувствительны на более низких длинах волн, чем функция фотопической световой эффективности, которая основана на чувствительности к рецепторам колбочек. [7]

В центральной области СХЯ находится большинство светочувствительных нейронов. [8] Отсюда сигналы передаются через нервную связь с шишковидной железой , которая регулирует различные гормоны в организме человека. [9]

Существуют определенные гены , которые определяют регуляцию циркадного ритма в сочетании со светом. [8] Когда свет активирует рецепторы NMDA в SCN, экспрессия гена CLOCK в этой области изменяется, и SCN сбрасывается, и именно так происходит подстройка. [8] Гены, также участвующие в подстройке, это PER1 и PER2 . [8]

Некоторые важные структуры, на которые напрямую влияет связь света и сна, включают верхнее четверохолмие - претектальную область и вентролатеральное преоптическое ядро. [6] [5]

Прогрессирующее пожелтение хрусталика с возрастом уменьшает количество коротковолнового света, достигающего сетчатки, и может способствовать циркадным изменениям, наблюдаемым в пожилом возрасте. [10]

Эффекты

Начальный

Все механизмы светового воздействия еще не полностью изучены, однако многочисленные исследования продемонстрировали эффективность светового воздействия на цикл день/ночь. Исследования показали, что время воздействия света влияет на воздействие; как видно на кривой фазового отклика для света для данного вида. У дневных (дневных) видов воздействие света вскоре после пробуждения ускоряет циркадный ритм, тогда как воздействие перед сном задерживает ритм. [11] [12] [8] Опережение означает, что человек будет склонен просыпаться раньше на следующий день(дни). Задержка, вызванная воздействием света перед сном, означает, что человек будет склонен просыпаться позже на следующий день(дни).

Гормоны кортизол и мелатонин зависят от сигналов, которые свет посылает через нервную систему организма . Эти гормоны помогают регулировать уровень сахара в крови, чтобы дать организму необходимое количество энергии, которое требуется в течение дня. Уровень кортизола высок при пробуждении и постепенно снижается в течение дня, уровень мелатонина высок, когда организм входит и выходит из состояния сна, и очень низок в течение часов бодрствования. [9] Естественный цикл света и темноты на Земле является основой для высвобождения этих гормонов. [13]

Продолжительность воздействия света влияет на увлечение. Более длительное воздействие оказывает больший эффект, чем более короткое. [12] Постоянное воздействие света оказывает больший эффект, чем прерывистое воздействие. [14] 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. [2] Тусклый свет может влиять на увлечение относительно темноты. [16] Более яркий свет более эффективен, чем тусклый. [12] Для людей свет с короткой длиной волны (синий/фиолетовый) меньшей интенсивности, по-видимому, столь же эффективен, как и более интенсивный белый свет. [11]

Воздействие монохроматического света с длинами волн 460 нм и 550 нм на две контрольные группы дало результаты, показывающие снижение сонливости при 460 нм, протестированное на двух группах и контрольной группе. Кроме того, в том же исследовании, но проверяя терморегуляцию и частоту 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 , меру 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 бодрствованием 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] Эффект, который эта длина волны света оказывает на меланопсин, приводит к физиологическим реакциям, таким как подавление выработки мелатонина, повышенная бдительность и изменения циркадного ритма. [19]

Вторичный

Хотя свет оказывает прямое воздействие на циркадный ритм, в различных исследованиях наблюдаются и косвенные эффекты. [4] Сезонное аффективное расстройство создает модель, в которой сокращение продолжительности дня осенью и зимой усиливает депрессивные симптомы. [6] [4] Сдвиг в кривой реакции циркадной фазы создает связь между количеством света в день (продолжительностью дня) и депрессивными симптомами при этом расстройстве. [6] [4] Свет, по-видимому, оказывает терапевтический антидепрессивный эффект, когда организм подвергается его воздействию в соответствующее время в течение циркадного ритма, регулируя цикл сна и бодрствования. [6] [4]

Помимо настроения, при сдвиге циркадной системы из-за световых стимулов ухудшаются способность к обучению и память [6] [20] , что можно наблюдать в исследованиях, моделирующих ситуации смены часовых поясов и сменной работы . [4] Области лобной и теменной долей, участвующие в рабочей памяти, участвуют в реакциях меланопсина на световую информацию. [20]

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

Воздействие света в часы выработки мелатонина снижает выработку мелатонина. Было показано, что мелатонин смягчает рост опухолей у крыс. Подавляя выработку мелатонина в течение ночи, крысы показали повышенные показатели опухолей в течение четырехнедельного периода. [22]

Искусственный свет ночью, вызывающий нарушение циркадного ритма, дополнительно влияет на выработку половых стероидов. Повышенные уровни прогестагенов и андрогенов были обнаружены у работников ночной смены по сравнению с работниками «рабочего часа». [21]

Правильное воздействие света стало общепринятым способом смягчить некоторые эффекты сезонного аффективного расстройства (САР). Кроме того, было показано, что воздействие света по утрам помогает пациентам с болезнью Альцгеймера регулировать режим бодрствования. [23]

В ответ на воздействие света уровень бдительности может повышаться в результате подавления секреции мелатонина. [ 3] [6] Была обнаружена линейная зависимость между тревожными эффектами света и активацией в заднем гипоталамусе . [ 3] [24]

Нарушение циркадного ритма под воздействием света также приводит к изменениям в обмене веществ . [4]

Измеренное освещение для рейтинговых систем

Исторически свет измерялся в единицах силы света ( канделы ), яркости (канделы/м2 ) и освещенности (люмен/м2 ) . После открытия ipRGC в 2002 году были исследованы дополнительные единицы измерения света, чтобы лучше оценить влияние различных входов спектра света на различные фоторецепторы . Однако из-за изменчивости чувствительности между палочками, колбочками и ipRGC, а также изменчивости между различными типами ipRGC одна единица не может идеально отражать воздействие света на организм человека. [7]

Принятая текущая единица измерения — эквивалентный меланопический люкс, который представляет собой расчетное отношение, умноженное на единицу люкс. Меланопическое отношение определяется с учетом типа источника света и значений меланопической освещенности для фотопигментов глаза. [25] Источник света, единица измерения освещенности и значение 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 «укрепления здоровья и благополучия в зданиях по всему миру» [26]. Частью стандарта является реализация кредита 54: циркадное проектирование освещения. Определены определенные пороговые значения для различных офисных зон с целью получения кредитов. Освещенность измеряется на высоте 1,2 метра над готовым полом для всех зон.

Рабочие зоны должны иметь по крайней мере значение 200 эквивалентных меланопических люксов, присутствующих для 75% или более рабочих станций между часами 9:00 утра и 1:00 дня для каждого дня года, когда дневной свет включен в расчеты. Если дневной свет не принимается во внимание, все рабочие станции требуют освещения со значением 150 эквивалентных меланопических люксов или выше. [27]

В жилых помещениях, таких как спальни, ванные комнаты и комнаты с окнами, по крайней мере один прибор должен обеспечивать меланопическое значение люкс не менее 200 в течение дня и меланопическое значение люкс менее 50 в течение ночи, измеренное на высоте 0,76 метра над готовым полом. [27]

В комнатах отдыха средний уровень освещенности должен составлять 250 люкс . [27]

Для учебных помещений требуется, чтобы модели освещения, которые могут включать дневное освещение, имели эквивалент меланопического люкса 125 как минимум на 75% парт в течение как минимум четырех часов в день, или чтобы окружающее освещение соответствовало стандартным рекомендациям люксов, изложенным в Таблице 3 IES-ANSI RP-3-13. [27]

Стандарт WELL Building дополнительно дает указания по циркадной эмуляции в многоквартирных домах. Для более точного воспроизведения естественных циклов пользователи освещения должны иметь возможность устанавливать время пробуждения и отхода ко сну. Эквивалентный меланопический люкс 250 должен поддерживаться в период дня между указанным временем пробуждения и двумя часами до указанного времени отхода ко сну. Эквивалентный меланопический люкс 50 или менее требуется для периода дня, охватывающего два часа до указанного времени отхода ко сну и время пробуждения. Кроме того, в указанное время пробуждения меланопический люкс должен увеличиваться от 0 до 250 в течение как минимум 15 минут. [28]

Другие факторы

Хотя многие исследователи считают свет самым сильным сигналом для подстройки, это не единственный фактор, действующий на циркадные ритмы. Другие факторы могут усиливать или ослаблять эффективность подстройки. Например, упражнения и другая физическая активность в сочетании с воздействием света приводят к несколько более сильной реакции подстройки. [14] Другие факторы, такие как музыка и правильно рассчитанное по времени введение нейрогормона мелатонина, показали схожие эффекты. [29] [30] На подстройку также влияют многочисленные другие факторы. К ним относятся графики кормления, температура, фармакология, локомоторные стимулы, социальное взаимодействие , сексуальные стимулы и стресс. [31]

Циркадные эффекты также были обнаружены в зрительном восприятии дискомфортного яркого света. [32] Время суток, когда людям показывают источник света, вызывающий визуальный дискомфорт, воспринимается неравномерно. По мере того, как день идет, люди, как правило, становятся более терпимыми к тем же уровням дискомфортного яркого света (т. е. люди более чувствительны к дискомфортному яркому свету утром по сравнению с более поздним днем.) Дальнейшие исследования хронотипа показывают, что ранние хронотипы также могут переносить больше дискомфортного яркого света утром по сравнению с поздними хронотипами. [33]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Kolmos E, Davis SJ (сентябрь 2007 г.). «Циркадные ритмы: сигналы, связанные с rho, в восприятии света, зависящем от времени». cooment. Current Biology . 17 (18): R808–10. Bibcode : 2007CBio...17.R808K. doi : 10.1016/j.cub.2007.07.031. hdl : 11858/00-001M-0000-0012-3809-B . PMID  17878051. S2CID  10799409.
  2. ^ abcde Duffy JF, Czeisler CA (июнь 2009). «Влияние света на циркадную физиологию человека». обзор. Sleep Medicine Clinics . 4 (2): 165–177. doi :10.1016/j.jsmc.2009.01.004. PMC 2717723. PMID  20161220 . 
  3. ^ abcde Vimal RL, Pandey-Vimal MU, Vimal LS, Frederick BB, Stopa EG, Renshaw PF и др. (январь 2009 г.). «Активация супрахиазматических ядер и первичной зрительной коры зависит от времени суток». primary. The European Journal of Neuroscience . 29 (2): 399–410. doi :10.1111/j.1460-9568.2008.06582.x. PMID  19200242. S2CID  41456654.
  4. ^ abcdefghijkl LeGates TA, Fernandez DC, Hattar S (июль 2014 г.). «Свет как центральный модулятор циркадных ритмов, сна и аффекта». обзор. Nature Reviews. Neuroscience . 15 (7): 443–54. doi :10.1038/nrn3743. PMC 4254760. PMID 24917305  . 
  5. ^ abcd Dijk DJ, Archer SN (июнь 2009). «Свет, сон и циркадные ритмы: снова вместе». первичный. PLOS Biology . 7 (6): e1000145. doi : 10.1371/journal.pbio.1000145 . PMC 2691600. PMID  19547745 . 
  6. ^ abcdefg Stephenson KM, Schroder CM, Bertschy G, Bourgin P (октябрь 2012 г.). «Сложное взаимодействие циркадных и нециркадных эффектов света на настроение: проливая новый свет на старую историю». обзор. Sleep Medicine Reviews . 16 (5): 445–54. doi :10.1016/j.smrv.2011.09.002. PMID  22244990.
  7. ^ abcde Lucas RJ, Peirson SN, Berson DM, Brown TM, Cooper HM, Czeisler CA и др. (январь 2014 г.). «Измерение и использование света в эпоху меланопсина». обзор. Trends in Neurosciences . 37 (1): 1–9. doi :10.1016/j.tins.2013.10.004. PMC 4699304 . PMID  24287308. 
  8. ^ abcde Yan L (декабрь 2009 г.). «Экспрессия часовых генов в супрахиазматическом ядре: влияние условий освещения окружающей среды». обзор. Обзоры в Endocrine & Metabolic Disorders . 10 (4): 301–10. doi :10.1007/s11154-009-9121-9. PMID  19777352. S2CID  8653740.
  9. ^ ab van Bommel WJ (июль 2006 г.). «Невизуальный биологический эффект освещения и практическое значение освещения для работы». обзор. Прикладная эргономика . 37 (4): 461–6. doi :10.1016/j.apergo.2006.04.009. PMID  16756935.
  10. ^ Блюм, Кристин; Гарбацца, Коррадо; Шпицчан, Мануэль (2019). «Влияние света на циркадные ритмы человека, сон и настроение». Somnologie . 23 (3): 147–156. doi :10.1007/s11818-019-00215-x. ISSN  1432-9123. PMC 6751071 . PMID  31534436. 
  11. ^ ab Warman VL, Dijk DJ, Warman GR, Arendt J, Skene DJ (май 2003 г.). «Ускорение циркадных ритмов человека с помощью коротковолнового света». первичный. Neuroscience Letters . 342 (1–2): 37–40. doi :10.1016/S0304-3940(03)00223-4. PMID  12727312. S2CID  913608.
  12. ^ abc Duffy JF, Kronauer RE, Czeisler CA (август 1996 г.). «Сдвиг фаз циркадных ритмов человека: влияние времени сна, социальных контактов и воздействия света». первичный. The Journal of Physiology . 495 (Pt 1) (Pt 1): 289–97. doi :10.1113/jphysiol.1996.sp021593. PMC 1160744. PMID  8866371 . 
  13. ^ Джордан, Алекс. "Circadian Lighting" . Получено 27 июня 2023 г.
  14. ^ ab Baehr EK, Fogg LF, Eastman CI (декабрь 1999 г.). «Прерывистый яркий свет и упражнения для адаптации циркадных ритмов человека к ночной работе». первичный. The American Journal of Physiology . 277 (6): R1598–604. doi :10.1152/ajpregu.1999.277.6.R1598. PMID  10600904.
  15. ^ Ma WP, Cao J, Tian M, Cui MH, Han HL, Yang YX, Xu L (октябрь 2007 г.). «Воздействие хронического постоянного света ухудшает пространственную память и влияет на долгосрочную депрессию у крыс». primary. Neuroscience Research . 59 (2): 224–30. doi :10.1016/j.neures.2007.06.1474. PMID  17692419. S2CID  46433973.
  16. ^ Gorman MR, Kendall M, Elliott JA (февраль 2005 г.). «Скотопическое освещение усиливает захват циркадных ритмов для удлинения циклов свет:темнота». первичный. Журнал биологических ритмов . 20 (1): 38–48. doi : 10.1177/0748730404271573 . PMID  15654069. S2CID  35736954.
  17. ^ Cajochen, Christian; Münch, Mirjam; Kobialka, Szymon; Kräuchi, Kurt; Steiner, Roland; Oelhafen, Peter; Orgül, Selim; Wirz-Justice, Anna (март 2005 г.). «Высокая чувствительность человеческого мелатонина, бдительности, терморегуляции и частоты сердечных сокращений к коротковолновому свету». Журнал клинической эндокринологии и метаболизма . 90 (3): 1311–1316. doi : 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: влияние двух типов люминесцентных ламп при двух интенсивностях света». первичный. Журнал исследований и технологий освещения . 25 (2): 71–80. doi :10.1177/096032719302500203. S2CID  143924924.
  19. ^ ab Bellia L, Bisegna F, Spada G (октябрь 2011 г.). «Освещение в помещениях: визуальные и невизуальные эффекты источников света с различным спектральным распределением мощности». primary. Building and Environment . 46 (10): 1984–92. Bibcode : 2011BuEnv..46.1984B. doi : 10.1016/j.buildenv.2011.04.007.
  20. ^ ab Vandewalle G, Gais S, Schabus M, Balteau E, Carrier J, Darsaud A, Sterpenich V, Albouy G, Dijk DJ, Maquet P (декабрь 2007 г.). «Зависящая от длины волны модуляция реакций мозга на задачу рабочей памяти при дневном освещении». первичный. Кора головного мозга . 17 (12): 2788–95. doi : 10.1093/cercor/bhm007 . PMID  17404390.
  21. ^ ab Kubatka P, Zubor P, Busselberg D, Kwon TK, Adamek M, Petrovic D, et al. (февраль 2018 г.). «Мелатонин и рак груди: доказательства из доклинических и человеческих исследований». обзор. Критические обзоры в онкологии/гематологии . 122 : 133–143. doi :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». обзор. Neuro Endocrinology Letters . 23 (Suppl 2): ​​52–6. PMID  12163849.
  23. ^ van Someren EJ, Mirmiran M, Swaab DF (ноябрь 1993 г.). «Нефармакологическое лечение нарушений сна и бодрствования при старении и болезни Альцгеймера: хронобиологические перспективы». обзор. Behavioural Brain Research . 57 (2): 235–53. doi :10.1016/0166-4328(93)90140-L. hdl : 20.500.11755/2b612915-d99b-4824-a0a3-cfe17279393b . PMID  8117428. S2CID  4015259.
  24. ^ Vandewalle G, Balteau E, Phillips C, Degueldre C, Moreau V, Sterpenich V и др. (август 2006 г.). «Дневное воздействие света динамически усиливает реакции мозга». первичный. Current Biology . 16 (16): 1616–21. Bibcode : 2006CBio...16.1616V. doi : 10.1016/j.cub.2006.06.031 . PMID  16920622.
  25. ^ ab Lucas R (октябрь 2013 г.). "Irradiance Toolbox" (PDF) . personalpages.manchester.ac.uk .
  26. ^ "Международный институт строительства WELL". Международный институт строительства WELL . Получено 10.12.2018 .
  27. ^ abcd "Циркадный дизайн освещения". Стандарт WELL . Получено 10.12.2018 .
  28. ^ "Циркадная эмуляция | Стандарт WELL". standard.wellcertified.com . Получено 10.12.2018 .
  29. ^ Goel N (сентябрь 2006 г.). «Возбуждающий, музыкально усиленный стимул пения птиц опосредует фазовые сдвиги циркадного ритма при тусклом свете». основной. Американский журнал физиологии. Регуляторная, интегративная и сравнительная физиология . 291 (3): R822–7. doi :10.1152/ajpregu.00550.2005. PMID  16614052.
  30. ^ Revell VL, Burgess HJ, Gazda CJ, Smith MR, Fogg LF, Eastman CI (январь 2006 г.). «Улучшение циркадных ритмов человека с помощью дневного мелатонина и утреннего прерывистого яркого света». первичный. Журнал клинической эндокринологии и метаболизма . 91 (1): 54–9. doi :10.1210/jc.2005-1009. PMC 3841985. PMID  16263827 . 
  31. ^ Салазар-Хуарес А., Парра-Гамес Л., Барбоса Мендес С., Лефф П., Антон Б. (май 2007 г.). «Нефотическая вовлечение. Другой тип вовлечения? Часть первая». Salud Mental . 30 (3): 39–47.
  32. ^ Кент MG, Альтомонте S, Уилсон R, Трегенца PR (2015). «Дискомфортный блеск и время суток». Исследования и технологии освещения . 47 (6): 641–657. doi :10.1177/1477153514547291.
  33. ^ Кент MG, Альтомонте S, Уилсон R, Трегенца PR (2016). «Временные переменные и личные факторы в восприятии яркого света». Исследования и технологии освещения . 48 (6): 689–710. doi :10.1177/1477153515578310.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Световые_эффекты_на_циркадный_ритм&oldid=1232096733"