Method Article
Qui, presentiamo un metodo per studiare i ritmi diurni nelle prestazioni seguendo una categorizzazione accurata dei partecipanti in gruppi di fenotipi circadiani basati sul questionario chronoType di Monaco, biomarcatori di fase circadiana standard d'oro e misure actigrafiche.
Nella nostra società in continuo sviluppo '24 ore su 24', c'è la necessità di aumentare la nostra comprensione di come i cambiamenti in biologia, fisiologia e psicologia influenzano la nostra salute e le nostre prestazioni. Incorporato all'interno di questa sfida, è la crescente necessità di tenere conto delle differenze individuali nel sonno e nei ritmi circadiani, nonché di esplorare l'impatto dell'ora del giorno sulle prestazioni nel mondo reale. Ci sono diversi modi per misurare il sonno e i ritmi circadiani da metodi soggettivi basati su questionari al monitoraggio oggettivo sonno/veglia, attività e analisi di campioni biologici. Questo documento propone un protocollo che combina più tecniche per classificare gli individui in gruppi di fenotipi circadiani early, Intermediate o late (ECP/IP/LCP) e raccomanda come condurre test di performance diurni sul campo. I risultati rappresentativi mostrano grandi differenze nei modelli di attività di riposo derivati dall'attivigrafia, fase circadiana (insorgenza di luce dim e tempo di picco della risposta di risveglio del cortisolo) tra i fenotipi circadiani. Inoltre, differenze significative nei ritmi di prestazione diurni tra ECP e LCP sottolineano la necessità di tenere conto del fenotipo circadiano. In sintesi, nonostante le difficoltà nel controllare i fattori di influenza, questo protocollo consente una valutazione reale dell'impatto del fenotipo circadiano sulle prestazioni. Questo documento presenta un metodo semplice per valutare il fenotipo circadiano sul campo e supporta la necessità di considerare l'ora del giorno durante la progettazione di studi di prestazioni.
A livello comportamentale, la valutazione dei modelli individuali di riposo/attività può essere effettuata utilizzando metodi soggettivi basati su questionari o un monitoraggio oggettivo attraverso l'attivigrafia del polso. I dati attivici sono stati convalidati contro la polisonnografia (PSG) per vari parametri di sonno, tra cui: tempo totale di sonno, efficienza del sonno e veglia dopo l'inizio del sonno1. Anche se il PSG è noto come il gold standard per misurare il sonno, è difficile da usare per periodi prolungati al di fuori del laboratorio del sonno2. Pertanto, le attività sono destinate a fornire un'alternativa semplice e più conveniente al PSG e consentire il monitoraggio del modello di riposo/attività di 24 ore. Le misure soggettive di auto-segnalazione possono definire il proprio "cronotipo" utilizzando il questionario MCTType (MCTQ)3di Monaco utilizzando il questionario Morningness-Eveningness Questionnaire (MEQ)4. I gruppi alle due estremità di questo spettro possono essere indicati come fenotipi circadiani primitivi (ECP) e fenotipi circadiani tardivi (LCP) con quelli intermedi come fenotipi circadiani intermedi (IP).
Sebbene eCP e LCP siano chiaramente distinguibili attraverso il loro comportamento (cioè i modelli di sonno/veglia), queste differenze individuali sono anche in parte guidate da variazioni nella fisiologia5 e nella predisposizione genetica6,7. I biomarcatori fisiologici sono spesso utilizzati per determinare la fase/timing circadiano di un individuo. Due dei principali ormoni indicativi di tempista circadiano sono la melatonina, che sale la sera per raggiungere un picco nel bel mezzo della notte, e cortisolo, che raggiunge il picco al mattino8. Utilizzando questi marcatori di fase circadiana, le differenze individuali nei modelli sonno-veglia sono in grado di essere identificate. Ad esempio, l'insorgenza di melatonina dim luce (DLMO)9,10 e il tempo di risposta al risveglio del cortisolo11,12 picco più indietro in ECP, che è rispecchiato dal ritmo circadiano della temperatura corporea del nucleo13. La saliva consente una raccolta facile, sicura e non invasiva da cui questi ormoni possono essere analizzati mediante radioimmunoassay (RIA) o analisi immunosorbenaria legata agli enzimi (ELISA) senza la necessità di estrarre alcun materiale cellulare. RIA ed ELISA sono saggi sensibili e specifici che rilevano concentrazioni di antigeni in campioni biologici (ad esempio, sangue, plasma o saliva), attraverso reazioni antigene-anticorpo che coinvolgono isotopi radioetichettati (ad esempio, iodio (125I) o anticorpi collegati agli enzimi14).
Protocolli di laboratorio rigorosamente controllati come la routine costante (CR) e la desynchrony forzata (FD) sono il gold standard nel campo della cronobiologia per studiare i ritmi circadiani endogeni15. Tuttavia, c'è una crescente necessità di studiare gli individui nel loro ambiente domestico al di fuori delle impostazioni di laboratorio artificiali per raccogliere dati contestuali e aumentare la validità esterna dei risultati. Pertanto, abbiamo bisogno di modi migliori per classificare, misurare e valutare le differenze individuali nel campo. Inoltre, le variazioni diurne in varie misure di fisico (capacità aerobica, forza muscolare) e cognitivo (tempo di reazione, attenzione sostenuta, funzione esecutiva) prestazioni sono state scoperte con ECP che svolgono meglio in precedenza nel corso della giornata e LCP in serata16,17. Questo sottolinea che l'ora del giorno e il fenotipo circadiano dovrebbero essere fattori che vengono considerati quando si effettuano test di prestazioni in studi di ricerca.
Il numero di diverse misure e protocolli utilizzati negli studi di laboratorio consente di implementare condizioni altamente controllate. Gli studi sul campo tendono ad essere più impegnativi a causa del numero di fattori di influenza. Pertanto, utilizzando un approccio più olistico combinando più tecniche può fornire una maggiore precisione durante il monitoraggio del comportamento, della psicologia e delle prestazioni di un individuo nel loro ambiente domestico18. Qui, discutiamo di un metodo che può essere facilmente implementato nel campo per identificare le differenze individuali nei fenotipi circadiani utilizzando il MCTQ, l'attivigrafia e i biomarcatori fisiologici. Ipotizziamo che queste variabili differiranno in modo significativo tra i gruppi di fenotipi circadiani e saranno significativamente correlate con il cronotipo (o corretto a metà sonno nei giorni liberi (MSFsc) raccolti dall'MCTQ). Inoltre, suggeriamo modi per misurare le prestazioni diurne, evidenziando la necessità di analizzare i dati separatamente per ogni gruppo di fenotipi circadiano. Ipotizziamo che le differenze nei ritmi delle prestazioni diurne saranno oscurate se i dati vengono analizzati solo a livello di popolazione.
Tutti i metodi qui descritti sono stati approvati dal Comitato Etico di ricerca dell'Università di Birmingham.
1. Screening dei partecipanti e progettazione sperimentale
2. Agrafia e diari del sonno
3. Campionamento fisiologico
4. Radioimmunoassay
5. Test delle prestazioni diurne
NOTA: Le misure utilizzate in questo protocollo sono la Psicomotoria Vigilance Task (PVT)21e la Karolinska Sleepiness Scale (KSS)22. Tuttavia, altri test potrebbero essere utilizzati mantenendo lo stesso disegno a seconda dello scopo dello studio (ad esempio, se lo studio stava studiando l'impatto del fenotipo circadiano sulla memoria di lavoro, sarebbe necessario un compito di memoria).
6. Analisi
Questi risultati in ECP e LCP sono stati precedentemente pubblicati da Facer-Childs, Campos, et al.23. Tutte le autorizzazioni sono state ottenute dal server di pubblicazione. Per gli studi che richiedono un'indagine di tutti e tre i gruppi (Early, Intermediate e Late), possono essere utilizzati gli stessi metodi e tagli.
Fenotipizzazione circadiana (tabella 1, tabella 2 e figura 1)
La prima ipotesi presentata in questo articolo è che i gruppi differirebbero in modo significativo nelle variabili circadiane e del sonno. Dai partecipanti (n - 22) che hanno partecipato a questo studio, quelli che sono stati classificati come ECP avevano un punteggio compreso tra 0-1 e tutti i LCP tra 8-10 (tagli forniti nella tabella 1). Per confermare questi risultati, le medie di gruppo sono state confrontate per ogni variabile. MSFsc era 02:24 - 00:10 h h per gli ECP rispetto a 06:52 - 00:17 h in LCP (t(36) - 12.2, p < 0.0001). Anche i marcatori fisiologici differivano in modo significativo tra i due gruppi. DLMO si è verificato alle 20:27 x alle 00:16 h negli ECP e alle 23:55 , alle 00:26 h in LCPS (t(30) - 6,8 , p < 0.0001). L'ora di punta della risposta di risveglio del cortisolo si è verificata alle 07:04 x 00:16 h negli ECP e alle 11:13 x 00:23 h negli LCP (t(36) - 8,0, p < 0,0001). Le stesse relazioni sono state osservate con variabili actigrafiche per l'esordio del sonno e per l'esordio del sonno con esordio medio del sonno che si verificano a 22:57 x 00:10 h negli ECP e 02:27 - 00:19 h in LCP (t(34) - 8,9, p < 0.0001) e il tempo di riattivazione che si trova alle 06:33 , 0,10 h negli ECP e alle 10:13 , 00:18 h negli LCP (t(34) - 9,9, p < 0,0001). Altre variabili di sospensione, tra cui durata, efficienza e latenza, non differivano in modo significativo tra i gruppi(Tabella 2).
La seconda ipotesi è che MSFsc raccolto dal MCTQ sarebbe significativamente correlato con i biomarcatori di fase agiscografici e circadiani standard d'oro. La figura 1 mostra che MSFsc era significativamente correlata con dLMO (R2 - 0,65, p < 0.0001), ora di punta della risposta di risveglio del cortisolo (R2 - 0,75, p < 0.0001), sospensione (R2 - 0,80, p < 0.0001) e tempo di riattivazione (R2 - 0,86, p < 0.0001).
Questi risultati rappresentativi mostrano che i diversi gruppi di fenotipi circadiani hanno chiare differenze nell'inizio/offset del sonno (cioè il tempo di veglia), nonché nelle variabili fisiologiche (DLMO e ora di punta del cortisolo mattutino).
Test diurni (Figura 2)
È stato ipotizzato che testando più volte nel corso della giornata, i ritmi diurni nella sonnolenza soggettiva e nelle prestazioni sarebbero stati in grado di essere identificati in ogni gruppo (ECP/LCP). Inoltre, si ipotizzava che se i fenotipi circadiani non fossero considerati e i dati fossero analizzati solo a livello di gruppo, le variazioni diurne sarebbero state travisate.
Variazioni diurne significative sono state rilevate a tutto il livello di gruppo per il PVT e il KSS. Le prestazioni del PVT nella sessione di test 08:00 h sono state significativamente più lente rispetto al test di 14:00 h (p - 0,027), così come sonnolenza soggettiva (p - 0,024). Sono state rilevate anche prestazioni PVT significativamente più lente tra le 08:00 h e le 20:00 h (p - 0,041).
Quando ogni gruppo è stato analizzato separatamente, sono state rilevate variazioni significative delle prestazioni PVT negli LCP, ma non negli ECP. Gli LCP sono stati significativamente peggiori alle 08:00 h rispetto alle 14:00 h (p s 0,0079) e migliori a 20:00 h rispetto alle 08:00 h(p - 0,0006). La sonnolenza soggettiva ha mostrato variazioni diurne significative all'interno di ogni gruppo. Gli ECP hanno segnalato una sonnolenza maggiore a 20:00 h rispetto alle 08:00 h (p x 0,0054). L'opposto è stato osservato negli LCP che hanno riportato la più alta sonnolenza a 08:00 h e più basso a 20:00 h. Sonnolenza a 08:00 h era significativamente superiore a 14:00 h e 20:00 h in LCP (entrambi p < 0.0001).
Figura 1: Analisi di regressione lineare per mostrare le relazioni tra variabili sonno/veglia utilizzando l'attivigrafia e biomarcatori fisiologici. Corretto durante il sonno nei giorni liberi (MSFsc) viene visualizzato come ora del giorno (h) sull'asse x. I primi fenotipi circadiani (ECP) sono mostrati nella casella blu, i fenotipi circadiani tardivi (LCP) nella casella rossa. (a) Tempo di picco della risposta di risveglio del cortisolo (h), (b) Tempo di sveglia (h), (c) Dim luce di uscita della melatonina (DLMO) (h), (d) Tempo di esordio del sonno (h). Il valore R2 viene visualizzato nell'angolo in basso a p destra con il livello di significatività visualizzato in corrispondenza del valore di importanza . Questa cifra è stata modificata, con il permesso, da Facer-Childs, etal. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: Variazioni diurne delle curve nella scala Karolinska Sleepiness e nelle prestazioni di Psychomotor Vigilance Task (PVT). L'ora del giorno (h) viene visualizzata sull'asse x. I risultati dell'intero gruppo sono mostrati nella prima colonna, i fenotipi circadiani primitivi (ECP) nella seconda colonna e i fenotipi circadiani tardivi (LCP) nella terza colonna. (a) Punteggio soggettivo sonnolenza (KSS),(b) Tempo di reazione da PVT (s). Sono state montate curve di regressione polinomiale di secondo ordine. Il livello di significatività viene visualizzato come ns (non significativo), (p < 0,05), s (p < 0,01), s (p < 0,001) e ) ( p < 0,001) e ) (p < 0,0001). Questa cifra è stata modificata, con il permesso, da Facer-Childs, etal. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Variabile misurata | Categoria ECP | Categoria ICP | Categoria LCP |
Tempo di riattivazione attiva | < 07:30 h | 07:31 - 08:29 h | > 08:30 h |
Ora di punta del cortisolo mattutino | < 08:00 | 08:01 - 08:59 h | > 09:00 h |
Insorgenza di melatonina dim luce (DLMO) | < 21:30 h | 21:31 - 22:29 h | > 22,30 h |
Insorgenza actigrafica del sonno | < 23:30 h | 23:31 - 00:29 h | > 00:30 h |
Corretto a metà del sonno nei giorni liberi (MSFsc) | < 04:00 h | 04:01 - 04:59 h | > 05:00 h |
Punteggio per variabile | 0 | 1 | 2 |
PUNTEGGIO TOTALE | 0 - 3 | 4 - 6 | 7 - 10 |
Sottocategorie | 0 - ECP estremo 1 - ECP definito 2 - ECP moderato 3 - ECP lieve | 4 - ICP anticipato 5 - ICP 6 - ICP in ritardo | 7 - LCP lieve 8 - LCP moderato 9 - LCP definito 10 - LCP estremo |
Tabella 1: Categorizzazione taglia i tagli per la fenotipizzazione circadiana in gruppi iniziali (ECP), intermedi (ICP) e tardivi (LCP). A ogni variabile viene assegnato un punteggio per partecipante in base al risultato e ai punteggi totali (0-10) che consentono la categorizzazione in ogni gruppo e in ogni sottocategoria.
Variabile misurata | ECP | LCP | Significato |
Dimensione del campione | N - 16 | N - 22 | n/a |
Numero di maschi/femmine | M - 7 | M - 7 | p - 0,51c |
N. F - 9 | F - 15 | ||
Età (anni) | 24,69 x 4,60 | 21,32 x 3,27 anni | p - 0,028a |
Altezza (cm) | 171.30 - 1,97 | 171,10 x 2,38 | p - 0,97a |
Peso (kg) | 66,44 x 2,78 | 67,05 x 2,10 | p - 0,88a |
MSFsc (hh:mm) | 02:24 - 00:10 | 06:52 - 00:17 | p < 0.0001a |
Insorgenza di sonno (hh:mm) | 22:57 - 00:10 | 02:27 - 00:19 | p < 0.0001a |
Tempo di riattivazione (hh:mm) | 06:33 - 0,10 | 10:13 - 00:18 | p < 0.0001a |
Durata del sonno (h) | 7.59 x 0,18 | 7,70 x 0,14 | p - 0,72a |
Efficienza del sonno (%) | 79,29 x 1,96 | 77,23 x 1,14 | p - 0,46a |
Latenza insorgenza della sospensione (hh:mm) | 00:25 - 00:06 | 00:25 - 00:03 | p - 0,30b |
Angolo di fase (hh:mm) | 02:28 - 00:16 | 02:34 - 00:18 | p - 0,84a |
Insorgenza di melatonina dim light (hh:mm) | 20:27 : 00:16 | 23:55 : 00:26 | p < 0.0001a |
Ora di punta del cortisolo (hh:mm) | 07:04 - 00:16 | 11:13 - 00:23 | p < 0.0001a |
Tabella 2: studiare le variabili per i gruppi di fenotipi circadiani; Primi (ECP) e tardivi (LCP). I valori sono indicati come media : SEM a parte l'età che viene indicato come media - SD. Corretto a metà sospensione nei giorni liberi (MSFsc) viene calcolato dal MCTQ. I tipi di test statistici utilizzati sono mostrati in apice; test parametricia, test non parametricib e il test esatto di Fisherc. L'angolo di fase è determinato dalla differenza (h) tra l'esordio della melatonina dim luce (DLMO) e l'esordio del sonno. Tutti i valori p sono FDR corretti24. Questa Tabella è stata modificata, con il permesso, da Facer-Childs, etal.
A causa della complessa interazione delle influenze circadiane e dipendenti dal sonno sul comportamento, esplorare i contributi relativi di ciascuno è impegnativo. I protocolli basati su laboratorio sono in gran parte irrealistici e costosi, quindi hanno una validità esterna più scadente quando si collegano i risultati al funzionamento quotidiano25. Pertanto, è sempre più necessario studiare gli individui nel loro ambiente domestico per promuovere la generalizzabilità ai contesti del mondo reale. Anche se gli studi sul campo non consentono il controllo delle influenze esogene, un approccio integrato può aiutare a far luce su come i fattori biologici e ambientali influenzano la salute, la fisiologia e le prestazioni23,26,27. Questo protocollo è stato progettato specificamente per essere in grado di monitorare gli individui nel loro ambiente domestico mentre seguono le loro routine abituali. Questi protocolli di campionamento della saliva sono stati intrapresi con successo in contesti impegnativi come l'Amazzonia28 e l'Antartide29 che supportano la facilità di conduzione di questo protocollo.
I questionari sono uno strumento utile negli studi di sonno e circadiano in quanto consentono un modo semplice e veloce per raccogliere una vasta gamma di informazioni. Tuttavia, le discrepanze tra misure soggettive e oggettive possono creare difficoltà quando si tenta di studiare le differenze individuali. Pertanto, essere in grado di raccogliere più misure soggettive e oggettive può rafforzare la categorizzazione dei gruppi di fenotipi circadiani. Questa combinazione di metodi - MCTQ, attività, campionamento fisiologico e test delle prestazioni - ha evidenziato come i risultati possano essere male interpretati se non vengono considerate differenze individuali nei fenotipi circadiani. La misurazione di tutte queste variabili fornisce la categorizzazione più affidabile dei gruppi di fenotipi circadiani, tuttavia, c'è il potenziale per sviluppare ulteriormente il metodo per consentire meno requisiti. Ad esempio, anche se l'affidabilità rimane da studiare, per ridurre i costi, i ricercatori potrebbero rimuovere la fase di campionamento del cortisolo o utilizzare un questionario diverso. Vale la pena notare, tuttavia, che poiché dLMO è un marcatore standard d'oro attuale per la tempistica e l'attivigrafia circadiana è un metodo standard per il monitoraggio dei modelli di riposo/attività, questo sarebbe un fattore essenziale da includere nelle valutazioni.
La pianificazione dei test delle prestazioni in base agli orari dell'orologio invece di basare i tempi rispetto all'individuo (tempo biologico interno) aumenta la fattibilità e consente di applicare il protocollo nelle impostazioni del mondo reale. Una limitazione di questo progetto, tuttavia, è l'incapacità di determinare l'influenza del sistema circadiano rispetto alle influenze omeostatiche. Questo diventa una sfida in quanto non vi è modo di confermare meccanismi specifici che contribuiscono ai risultati. Tuttavia, poiché lo scopo di questo protocollo è analizzare questi gruppi in uno scenario reale, la riduzione dei meccanismi dipendenti dal sonno ridurrebbe al minimo la validità esterna dei risultati. Si potrebbe quindi sostenere che l'utilizzo di un metodo integrato è più applicabile e più fattibile per gli studi sul campo.
Le misure dirette delle prestazioni sono molto rilevanti per la società, ma sembra che senza prendere in considerazione i molteplici fattori di influenza, in particolare la necessità di raggruppare gli individui in base al loro fenotipo circadiano e alla pressione del sonno, gli studi potrebbero mancare i risultati chiave.
Come discusso, il PVT e il KSS sono stati ampiamente utilizzati in molti campi di ricerca. La semplicità del PVT e la flessibilità nella durata delle attività lo rendono un test attraente da utilizzare in studi circadiani e di restrizione del sonno che richiedono più tempi di test, e ha dimostrato di essere un marcatore sensibile della privazione del sonno30,31. Anche se la precisione del test e i tempi di reazione complessivi aumentano con la durata dell'attività, le attività PVT di 2 min, 5 min e 10 min mostrano tutte l'ora del giorno di relazioni32.
La nostra progettazione del protocollo potrebbe essere implementata utilizzando una serie di diverse attività di prestazioni e in momenti più frequenti, se necessario. Studi precedenti hanno dimostrato gli effetti dell'ora del giorno in metriche di prestazioni fisiche e cognitive come la capacità aerobica15 e la funzione esecutiva25. L'attuazione di questo protocollo e la contabilità delle differenze individuali aumenterà la comprensione di come studiare i meccanismi che contribuiscono alle prestazioni, soprattutto in ambienti più di nicchia come gli sport d'elite. In sintesi, questo protocollo consente una valutazione reale del fenotipo circadiano e fornisce una visione su come misurare l'impatto del tempo del giorno sulle prestazioni.
B.M. e D.J.S. sono co-amministratori di Stockgrand Ltd. Gli autori non dichiarano altri interessi finanziari concorrenti.
Questo lavoro è stato sostenuto da finanziamenti del Biotechnology and Biological Sciences Research Council (BBSRC, BB/J014532/1) e dell'Ingegneria e del Consiglio di ricerca sulle scienze fisiche (EPSRC, EP/J002909/1). E.R.F.C è stato sostenuto da una borsa di studio per l'acceleratore del Wellcome Trust Institutional Strategic Support Fund (ISSF) Scheme (Wellcome 204846 / s/16 / ) e da una sovvenzione del governo australiano, Del Dipartimento dell'Industria, dell'Innovazione e della Scienza (ICG000899/19/0602). Il nostro sincero ringraziamento sono a tutti i partecipanti e Stockgrand Ltd per i reagenti di saggio.
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