Die Chronobiologie ist eine wissenschaftliche Disziplin, die sich mit der zeitlichen Organisation von Lebewesen, Mechanismen zu ihrer Kontrolle (Kontrolle, Erhaltung) und ihren Veränderungen befasst. Diese Disziplin beschäftigt sich hauptsächlich mit der Erforschung biologischer Rhythmen .
Der Urmensch hat sich bereits Grundkenntnisse über die zeitliche Organisation der Lebewesen (Fruchtreife, Wildwanderung, Lachslaichen etc. ) angeeignet . Der Mensch der Jungsteinzeit kontrolliert Landwirtschaft und Viehzucht durch sein Wissen über den Pflanzenzyklus und den Fortpflanzungszyklus der Tiere.
Die ersten Schriften, die biologische Rhythmen beschreiben, betreffen die Pflanzenbiologie. Sie stammen aus dem IV - ten Jahrhundert vor Christus. AD : Theophrastus berichtet in seiner Geschichte der Pflanzen, dass Androsthenes auf der Insel Tylos einen Baum beobachtete, "von dem die Eingeborenen sagen, dass er schläft" : dieser Photoperiodismus betrifft wahrscheinlich den Tamarindenbaum.
Im XVII - ten Jahrhundert , der italienische Arzt Santorio Santorio hebt den zirkadianen Rhythmus beim Menschen durch die Variation in der täglichen Gewichtsmessung.
Im Jahr 1729 untersuchte der französische Wissenschaftler Jean-Jacques Dortous de Mairan die Nachtruhe an bescheidenen Mimosen, auch sensibel genannt : Selbst in völliger Dunkelheit und in einer konstanten Umgebung (Temperatur, Feuchtigkeit) öffnete die Pflanze ihre Blätter weiter tagsüber) und nachts zusammenklappen. Damit erlebt er erstmals zirkadiane Rhythmen und zeigt damit deren endogene Natur. 1751 nutzte der schwedische Naturforscher Carl von Linné dieses Phänomen der Nyktinastie, um eine Blumenuhr zu entwerfen . Im Jahr 1814 veröffentlichte der Arzt Julien Joseph Virey (1755-1836) Éphemerides de la vie humaine, oder Forschungen über die tägliche Revolution und die Periodizität ihrer Phänomene bei Gesundheit und Krankheiten , die erste chronopharmakologische Doktorarbeit, in der er die Terminologie „lebend“ festlegte Uhr“ . Im Jahr 1832 entdeckte Augustin Pyrame de Candolle , dass die sensible Nyktinastie über einen Zeitraum von 22 bis 23 Stunden stattfand, was die Existenz einer endogenen Periode im freien Fortschreiten zeigt. Er führte auch das erste biologische Resynchronisationsexperiment durch, indem er die Sensiblen tagsüber der Dunkelheit und nachts permanenter Beleuchtung aussetzte.
In 1910 , der Entomologe Auguste Forel war der erste eine interne Uhr bei Tieren hervorheben: die Beobachtung , dass die Bienen auf der Terrasse seiner Villa jedes Mal , wenn er gefrühstückt jammen angezogen wurden, stellte er fest, auf einem schlechten Wetters Tag würde kommen sie wieder gleichzeitig auf seine Terrasse, während er drinnen frühstückte, und sie konnten es nicht riechen. In 1911 , der deutsche ethologist Karl von Frisch , während das Studium photic Kontrolle der Pigmentierung der Haut eines Fisches, der Elritze entdeckt, einen Mechanismus, der er „extraocular Photoaufnahme “, diese Photoaufnahme gesteuert durch die genannte Zirbeldrüse eine Rolle spielen , wichtig. physiologische Photoregulation und metabolische Synchronisation. Ab 1914 konzentrierte er alle seine Forschungen auf die Biene und zeigte mit seiner Schülerin Ingeborg Beling (de), dass das Insekt eine innere Uhr mit drei Synchronisations- oder Anpassungsmechanismen besitzt. In 1915 in seiner Arbeit Beiträgen zum Wissen über den Ursprung der Schlafbewegungen , der Botaniker Wilhelm Pfeffer war die erste autonome interne Uhr theoretisiert. In 1920 machten die amerikanischen Botaniker Whigtman Garner und Henry Allard eine eingehende Untersuchung der photoperiodism und klassifiziert eine große Anzahl von Pflanzen in kurzen und langen Tagen . 1925 stellte der russische Biophysiker Alexander Chizhevsky einen Zusammenhang zwischen Sonnenstürmen und Katastrophen auf der Erde (Kriege, Epidemien, Morde) her. Er begründete die Heliobiologie, die später in die Chronobiologie integriert wurde.
Die ersten wissenschaftlichen Laboratorien zur Erforschung biologischer Schwingungen wurden in den 1920er Jahren eingerichtet.1935 zeigte der deutsche Biologe Erwin Bünning den genetischen Ursprung des circadianen Rhythmus in Pflanzen.
Die umfassenden Arbeiten von Jürgen Aschoff , Erwin Bünning und Colin Pittendrigh (en) in den 1950er Jahren über die zirkadianen Uhren von Vögeln und Mäusen machen sie zu den Begründern der Chronobiologie. Franz Halberg von der University of Minnesota, der den Einfluss der Zeit der Medikamentengabe untersuchte und 1959 das Wort circadian prägte, gilt als „Vater der amerikanischen Chronobiologie“. In Frankreich ist Alain Reinberg der Pionier.
1960 legt das Symposium am Cold Spring Harbor Laboratory (in) den Grundstein für das Gebiet der Chronobiologie. Im selben Jahr erfand Patricia DeCoursey die Phasengangkurve (in) (Phasengangskurve), eines der wichtigsten Werkzeuge auf diesem Gebiet.
In den 1970er Jahren wurde im Tierreich (Drosophila, 1971 bei Nagetieren) das erste Uhrengen mit dem Namen per (für Periode ) identifiziert, weitere Gene dieser Art wurden im Pflanzenreich ( Chlamydomonas reinhardtii algae ), in Pilzen ( Neurospora .) krasse ).
Experimente "außerhalb der Zeit" (zeitliche Isolation nach freiem Kursprotokoll) werden von den deutschen Biologen Jürgen Aschoff und Rutger Wever (1962) und von Michel Siffre (1962 und 1999) durchgeführt: Sie zeigen, dass verschiedene menschliche Funktionen (physiologische kognitive oder Verhalten) werden durch eine kontrollierten innere Uhr endogener Zeit im Freilauf (24 h 24 h 5 min für Frauen, 24 h 11 min für Männer, weshalb Frauen im Durchschnitt erklärt müssen , um zu gehen: und 9 Minuten im Durchschnitt früher zu Bett gehen und anfälliger für Schlaflosigkeit sind als Männer).
1992 brachte Michael Rosbash zirkadiane Uhren auf molekularer Ebene ans Licht ( Messenger-RNA von per ). 1997 ergab eine Studie, dass die Mehrheit der Zellen eine unabhängige molekulare Uhr besitzt . Im Jahr 2005 wird eine Uhr eines Cyanobakteriums in einem Reagenzglas rekonstituiert.
Wenn sich die aktuelle Chronobiologie für Genetik und molekulare Ebenen interessiert (zum Beispiel die Arbeit von Dr. James Bendayan, der die Unterschiede in der Rhythmizität verschiedener Genome bei Frauen und Männern untersucht), konzentriert sie sich auch auf die Auswirkungen biologischer Rhythmen in einem Referenzrahmen nach dem Vorbild von das tägliche Leben von Menschen und Gesellschaften, durch Chronomedizin, Variation der menschlichen Leistungsfähigkeit (Sport, Kognition), angewandte Chronobiologie oder neuerdings Chronoprävention von Risiken (Einflüsse von Schicht- und Nachtarbeit auf die Arbeitsgesundheit, Risikoanalyse und -abdeckung, öffentliche Gesundheitsprobleme)
Obwohl die Idee des Zeitfaktors in Biologie und Medizin nicht neu ist (eine Vorstellung, die wir bei Aristoteles und Plinius finden, die die Rhythmik bei Fortpflanzung, Blüte, Winterschlaf oder Migration feststellen), haben die Überlegungen, Forschung und Praxis der letzten Jahrzehnte lange Zeit geprägt von dem Glauben an die Invarianz der Lebewesen auf "kurzfristige" Ebene, sowohl im 24-Stunden- als auch im Ganzjahresmaßstab.
Einige sprechen in dieser Hinsicht von Dogmen , die mehr oder weniger direkt auf das Konzept der Homöostase abzielen , das wir bei Walter Cannon finden, der sich von Claude Bernards Ideen zur Stabilität der inneren Umgebung inspirieren lässt .
Der Widerspruch zwischen dem Fach Chronobiologie und diesem Konzept ist nur scheinbar und beruht vermutlich auf einer Fehlinterpretation.
Tatsächlich befasst sich die Homöostase mit der Fähigkeit der inneren Umgebung eines Lebewesens , sich trotz der in seiner Umgebung auftretenden Schwankungen und Veränderungen in einem scheinbar oder global stabilen Zustand zu erhalten. Letzteres ist jedoch nie konstant, seine wahrnehmbaren Eigenschaften entwickeln sich ständig weiter:
Die Wirkung von rhythmischen Schwankungen (wie Tag/Nacht-Wechsel über 24 Stunden oder kurze Tage/lange Tage über ein Jahr) auf einen Organismus, der homöostatisch sein möchte, induziert logischerweise einen Ausgleich derselben Größenordnung, um den beobachteten Organismus zu erhalten. Diese Rückkopplungen oder regelmäßige Rückkopplungen ermöglichen daher das Gleichgewicht eines Zustands des "Nichtgleichgewichts".
Chronobiologie ist daher Teil der Erforschung nichtlinearer Prozesse, die in der Thermodynamik mit Forschern wie Prigogine oder in der Systemwissenschaft zu finden sind . Es befasst sich daher mit Schwingungen offener und sich entwickelnder Systeme .
Laut Alain Reinberg sind sich viele Chronobiologen einig, dass biologische Rhythmen insgesamt einer Anpassung der Lebewesen an vorhersehbare Veränderungen der Umwelt entsprechen. Die Frage „Warum? "Von biologischen Rhythmen bleibt" peinlich ": Der Versuch, sie zu beantworten, würde laut dem Autor der Einführung der Frage nach der Endgültigkeit entsprechen, genauer gesagt nach den Mechanismen der Evolution organisierter Wesen, ihrer spezifischen Anpassung (in Bezug auf die Arten). und individuell auf die Umwelt. In dieser Situation ist es daher schwierig, das Gesagte "experimentell zu beweisen". Biologische Rhythmen können daher in der Periodizität der terrestrischen Umwelt als "Bedingung" für das Überleben von Individuen oder einer Art auftreten. Es ist jedoch zu beachten, dass es bestimmte Rhythmen gibt, die auf den ersten Blick nicht einer Umweltnotwendigkeit zu entsprechen scheinen .
Das Konzept der Homöostase muss daher zwingend die Begriffe Dynamik und Bioperiodizität integrieren. Der Begriff des Gleichgewichts in der Biologie, wenn dieses Gleichgewicht nicht dynamisch ist (ein Ungleichgewicht, das ständig aufgeholt wird), ist gleichbedeutend mit Tod.
Ein biologischer Rhythmus wird durch seine Periode, den Ort der Akrophase (oder Peak oder Apex oder Zenit) der Variation in der Zeitskala der Periode, die Amplitude und das durchschnittliche Niveau der Variation ( MESOR ) charakterisiert .
Zeitintervall gemessen zwischen zwei Episoden, die sich während der Variation identisch reproduzieren. Die Periode des Rhythmus einer biologischen Variablen kann durch Spektralanalyse erhalten werden , die eine Schätzung der fundamentalen Periode und ihrer Harmonischen liefert . Sie kann auch durch Kenntnis des Rhythmus der Synchronisatoren (Versuchsbedingungen) erhalten werden.
Je nach vorherrschender Periode unterscheidet die Chronobiologie drei Hauptbereiche von Rhythmen:
Dieselbe biologische Variable manifestiert ihre Rhythmik in mehreren dieser Domänen (Beispiel Plasmacortisol).
Die Akrophase (Peak oder Zenit), deren Gegenteil die „Batyphase“ oder „Bathyphase“ ist, ist die Position des höchsten Wertes der biologischen Variablen, die auf der Zeitskala gemessen wird, für den betrachteten Zeitraum als Funktion von a zeitlicher Bezug. Wenn wir uns im zirkadianen Bereich befinden, kann die Spitze in Stunden mit einer Stunde als Referenz angegeben werden (z. B. Mitternacht der Ortszeit). Es ist möglich, den Ort der Akrophase in Bezug auf die Körpertemperatur anzugeben, aber es ist viel seltener.
Bei der Cosinor- Methode wird der Peak der höchste Punkt der Sinusfunktion sein , aber meistens spricht man in Bezug auf die experimentellen Werte von einem Peak.
Die Charakterisierung ist die gleiche wie in den Naturwissenschaften oder der Mathematik . Er stellt die Gesamtvariation der im Bezugszeitraum gemessenen biologischen Wertigkeit dar.
MESOR für Mittellinien- Schätzstatistik des Rhythmus . Dies ist das arithmetische Mittel der Messwerte der biologischen Variablen.
Biologische Rhythmen haben sowohl endogenen als auch exogenen Ursprung:
Ihr Ursprung ist genetisch bedingt, sie sind angeboren und resultieren nicht aus individuellem Lernen. Sie werden von biologischen Uhren (oder Zeitmessern ) gesteuert . Diese Eigenschaft lässt sich durch eine Isolation (freies Kursprotokoll) demonstrieren, bei der die Rhythmen auf einer für sie spezifischen Frequenz verharren .
Angetrieben werden diese endogenen Faktoren durch exogene Faktoren, den Zeitgebers oder Synchronisatoren .
Die ursprüngliche endogene Ursprung Verfassung Genetik der Arten und ihre Individuen . Es ist möglich, dass einerseits Gene beteiligt sind , die den betrachteten Rhythmus direkt programmieren , andererseits die Gesamtstruktur des Individuums sowohl von allen anderen genetischen Daten als auch von sozialpsychologischen Faktoren abhängt.
Wir wissen , dass eine Haupt Uhr befindet sich in den Hypothalamus und Nebenuhren , von denen mehrere verwaltet werden, auch auf geistiger Ebene.
Es gibt mehrere Gene, die für verschiedene biologische Uhren kodieren : Wir haben zum Beispiel eine Nahrungsuhr beschrieben, die die Verdauungsvorbereitung für die kommende Mahlzeit reguliert ( vgl. Étienne Challet et al. , Current Biology du24. Oktober 2006).
Tatsächlich haben alle Zellen im Körper, und nicht nur diejenigen, die zu spezialisierteren Gehirnstrukturen gehören, eine eigene Uhr, die unter normalen Laborbedingungen in vitro schwer nachzuweisen ist. Benoît Kornmann und seine Mitarbeiter entdeckten die Möglichkeit, in Aktivität zu bleiben oder die Uhr der Leberzellen auszulöschen; Dadurch konnte festgestellt werden, dass ihr circadianer Rhythmus zu 90 % „lokalen“ Ursprungs ist, aber eine „globale“ Auswirkung (zentral und/oder direkt mit externen Synchronisierern) von mindestens 10 % besteht. Dieser Teil ist sehr robust und bleibt bestehen, wenn der den peripheren Zellen eigene Takt blockiert wird.
Der Synchronisierer ist ein manchmal sozialer, aber immer periodischer Umweltfaktor, der die Periode oder Phase eines biologischen Zyklus verändern kann. Die Synchronisierer erzeugen nicht die biologischen Rhythmen, sondern steuern die Periode und die Phase.
Die Hauptfaktoren für die Rhythmisierung des Menschen sind kognitiver Natur, daher spielen sozioökologische Indikatoren eine große Rolle.
Wir können hier den Wechsel von Aktivität / Ruhe, hell / dunkel auf Tagesebene oder die Photoperiode (kurze Tage / lange Tage) und Temperatur auf Jahres- oder Jahreszeitenebene anführen.
Die biologischen Rhythmen sind daher trainierbar (Anpassung der Periodendauer der Rhythmen), aber auch persistent (demonstriert durch Free-Run- oder Free-Course- Protokolle , in denen das Individuum von allen Signalen abgeschnitten ist, die es wahrscheinlich resynchronisieren könnten).
Wir können deren Phasen durch die Manipulation von Synchronisatoren (hauptsächlich Licht) induktiv verschieben und dadurch Vor- oder Verzögerungen dieser Phasen erzeugen, wir können somit im Krankheitsfall die biologische Uhr zurückstellen und damit wieder in Phase bringen . Circadiane Rhythmen, die fast allgegenwärtig sind, sind vielleicht die bemerkenswertesten und am leichtesten zu beobachtenden biologischen Rhythmen.
Andere Synchronisatoren – insbesondere soziale – zielen auf unseren Cortex ab . Sie sind Signale und können erlernt werden. Jedes als zeitliche Benchmark wahrgenommene Signal kann dank gezielter Gehirnarbeit zu einem Synchronisierer werden und unsere circadiane „Erfahrung“ ausrichten, gegebenenfalls aber auch circaannual, ultradian etc. Anders formuliert, unser inneres "Uhrwerk" wird beeinflusst durch den Lärm der Nachbarn, das Klingeln des Weckers, die Zeit der Durchfahrt des Postboten, den täglichen Moment, in dem der und diejenige sich angewöhnt hat, uns anzurufen - die Liste ist lang. Beim Menschen haben soziale Synchronisatoren eine größere Wirkung als natürliche Synchronisatoren, aber wir beobachten ähnliche Phänomene bei bestimmten sozialen Tieren, die sich dank der Informationen ihrer Artgenossen synchronisieren. Ein sozialer Synchronizer kann einen anderen durch ein Lernphänomen ersetzen.
Desynchronisation entspricht einem Verlust der Phasenbeziehung biologischer Rhythmen. Sie kann von externer Herkunft (im Zusammenhang mit Veränderungen in der Umwelt) oder intern (ohne direkten Bezug zur Umwelt) sein.
Nachtarbeit oder Schichtarbeit kann zu einer Desynchronisation der zeitlichen Organisation des Einzelnen führen (es ist schwer vorherzusagen, wer gegenüber dieser Art von Arbeit tolerant ist oder nicht).
Jetlag oder JetlagBei einem Transmeridianflug von mehr als etwa fünf Stunden ( Jetlag- Phänomen ) wird bei Individuen eine Desynchronisation beobachtet.
Blinde Menschen, deren Netzhaut völlig inaktiv ist (die Netzhaut enthält nichtphotische Rezeptoren, die die Ausschüttung von Melatonin durch die Zirbeldrüse stimulieren ) haben zahlreiche Störungen ihrer zeitlichen Organisation. Da das Licht nicht in ein hormonelles Synchronisationssignal übersetzt werden kann, folgen ähnliche Symptome wie bei anderen Desynchronisationsfällen.
Letzteres wird kaum verstanden. Es wird durch Alter, Depression oder hormonabhängige Krebsarten (Brust, Eierstöcke, Prostata usw. ) beeinflusst.
Es kann durch die Untersuchung von Markerrhythmen (Plasmacortisol, Plasmamelatonin, Temperatur usw. ) verbessert werden . Wenn eine Desynchronisation demonstriert wird, werden diese Marker entweder in Phasenvoreilung oder in Phasenverzögerung in Bezug auf die ( normale ) Referenzzeitorganisation für das untersuchte Individuum genannt.
Die zentrale Uhr, die sich in den suprachiasmatischen Kernen (SCN) befindet, reguliert die peripheren Uhren durch direkte neuronale Eingaben. Andererseits können sympathische Einträge allein nicht für alle circadianen Aktivitäten verantwortlich sein. Es gibt eine Uhr in mehreren Organen, die mit der Nahrungsaufnahme zusammenhängen, wie Magen, Darm, Bauchspeicheldrüse und Leber. Eine Ernährungsumstellung kann durch neurohumorales Training die Mechanismen der peripheren circadianen Uhren beeinflussen. Darüber hinaus legt das Vorhandensein einer aktiven zirkadianen Uhr im Fettgewebe nahe, dass es eine zeitliche Komponente bei der Regulierung der Fettgewebefunktion gibt. Die zirkadiane Uhr in der Fettzelle verändert deren Empfindlichkeit gegenüber verschiedenen spezifischen Reizen während des 24-Stunden-Tages, wie zum Beispiel Insulin oder Adrenalin. Die Adipozytenuhr kann auch die Speicherkapazität von Triglyceriden wie Perilipin beeinflussen. Eine Asynchronität zwischen Schlaf und Nahrung verändert die zirkadiane Uhr der Adipozyten und diese Veränderung wäre für die Zunahme der Adipositas verantwortlich. Eine Änderung des Fütterungsplans kann auch die Phase der Genexpression mit einem circadianen Rhythmus bis zu 12 h verändern, ohne die Phase der circadianen Expression im NSC zu beeinflussen. In diesem Fall erfolgt also eine Entkopplung der Peripherieuhren von der Zentraluhr. Diese Phasenumstellung der peripheren Uhren infolge einer Ernährungsumstellung erfolgt in der Leber schnell, in den Nieren, im Herzen und in der Bauchspeicheldrüse jedoch langsamer.
Einfluss des Zeitpunkts der Nahrungsaufnahme auf LeptinObwohl die Mechanismen, die den Zeitpunkt der Mahlzeiten und die Gewichtszunahme miteinander verbinden, noch wenig verstanden sind, scheinen Hormone eine Rolle zu spielen. Rhythmische Expression und Aktivität von Stoffwechselwegen werden in erster Linie der Robustheit und koordinierten Expression von Uhrengenen in verschiedenen Organen und Geweben zugeschrieben. Änderungen im Zeitpunkt der Kalorienzufuhr können jedoch dieses gut konstruierte Gut verändern und die Rhythmik vieler Hormone, die am Stoffwechsel beteiligt sind, wie Leptin oder Ghrelin, verändern. Tatsächlich haben Laborstudien gezeigt, dass die Zeiten, in denen Mäuse während ihrer biologischen Nacht (d. h. tagsüber bei Mäusen, da es sich um nachtaktive Tiere handelt) wachen und fressen, zu mehreren Stoffwechselveränderungen führten. Dazu gehört insbesondere eine Veränderung der Sekretion von Leptin, einem anorektischen Hormon, das dem Körper durch Hemmung von NPY/AgRP-Neuronen und Aktivierung von POMC/CART-Neuronen ein Völlegefühl vermittelt. Genauer wurde gezeigt, dass die Plasmawerte von nächtlichem Leptin deutlich reduziert waren. Normalerweise, dh wenn die Nahrungsaufnahme während des biologischen Tages (bei Mäusen nachts) erfolgt, erfolgt die Ausschüttung von Leptin durch das Fettgewebe im Verhältnis zu den Lipidreserven. Je höher die Reserven sind, desto höher ist jedoch die Ausschüttung des Hormons, was eine Zunahme des Sättigungsgefühls und eine Verringerung der Kalorienaufnahme bedeutet. Daher wirken sich tägliche Schwankungen der Nahrungsaufnahme direkt auf die Leptinsekretion aus, da sie nach der Nahrungsaufnahme zunimmt und während des Fastens abnimmt. Das Problem bei Mäusen, die über Nacht biologisch gefüttert werden, besteht nun darin, dass das Sättigungsgefühl bei Mäusen, die nachts gefüttert werden, weniger stark ist, da der Leptinspiegel deutlich niedriger ist. Somit fördert die geringe Menge an Appetitzügler tendenziell eine Erhöhung der Kalorienaufnahme pro Tag, obwohl der Energiebedarf unverändert bleibt. Dies wäre somit eine Ursache für eine Gewichtszunahme. Es ist außerdem ein Phänomen, das auch beim Menschen .
Einfluss der Phasenverschiebung von Corticosteron und InsulinWie bereits erwähnt, hat der Zeitpunkt der Kalorienzufuhr einen direkten Einfluss auf die Ausschüttung von Hormonen, zu denen Corticosteron gehört. Es wurde experimentell gezeigt, dass eine Maus, die normalerweise nachts gefüttert wird und deren Fressrhythmus durch die Aufnahme ihrer Mahlzeiten am Tag gestört wird, während der Mahlzeiten einen hohen Corticosteron-Peak aufweist. Es wird daher vermutet, dass dieses Hormon ausnahmslos mit einer ungewöhnlichen Gewichtszunahme verbunden ist. Durch das Entfernen der Nebenniere, die für die Produktion von Corticosteron verantwortlich ist, ist es jetzt möglich, einen Gewichtsverlust zu beobachten. Es wird angenommen, dass dies auf die Tatsache zurückzuführen ist, dass Corticosteron die Lipogenese und die Ansammlung von Bauchfett erhöht. Die Lipogenese, die normalerweise durchgeführt wird, wenn das Tier beschäftigt ist, begrenzt die Bildung von Bauchfett. Tritt sie dagegen während einer wenig aktiven Tagesphase auf, wird ihre Wirkung stark verstärkt.
Insulin ist auch für die Gewichtszunahme beim Menschen verantwortlich. Ein Experiment an Ratten hat seine Wirkung gezeigt. Bei Ratten, die über einen Zeitraum von 24 Stunden sechs Mahlzeiten pro Tag zu sich nahmen , war der Blutzuckerspiegel während der Lichtperiode sehr regelmäßig. Auf der anderen Seite erzeugten die beiden Mahlzeiten in der Nacht einen viel höheren Insulinspiegel. Somit wurde der Blutzucker durch die Wirkung von Insulin stark reduziert. Ratten, die normalerweise nachts aktiv sind und während dieser Zeit essen, bringen ihren Stoffwechsel völlig durcheinander, wenn sie tagsüber essen. Der Blutzucker wird dann höher, was zu Risiken einer Erhöhung der Fettmasse des Individuums führt.
Einfluss der Phasenverschiebung auf den Stoffwechsel der MausDie oben dargestellte Desynchronisation der verschiedenen humoralen Elemente des Stoffwechsels ist an der Entkopplung zweier wichtiger Parameter des Stoffwechsels beteiligt: dem respiratorischen Austauschverhältnis (RER) und dem Energieverbrauch der Zellen. In einer Situation der Nahrungsbeschränkung in der subjektiven Nacht statt während des subjektiven Tages durchläuft das RER in den Leberzellen eine Phasenverschiebung von ungefähr 10 Stunden. Das bedeutet, dass die Nahrungsaufnahme einen größeren Einfluss auf die Leberzellen hat als die zentrale Uhr. Bei uneingeschränkter Ernährung schwankt der RER, um die Zeitpunkte zu synchronisieren, zu denen Energie aus Fettreserven oder Nahrungszufuhr kommt. Hier erhöht die subjektive nächtliche Nahrungsbeschränkung den Mittelwert dieses Parameters über den gesamten 24-Stunden-Zeitraum, was darauf hindeutet, dass weniger Fettspeicher durch den Energieverbrauch verbraucht werden. Tagsüber stammt der Energieverbrauch hauptsächlich aus der Muskelaktivität, die auf der Verwendung von Kohlenhydraten (die direkt aus der Nahrung zugeführt werden) basiert, die durch einen hohen RER-Wert (über 1) auferlegt werden. Da dieser gegenüber Nahrungsmittel- Zeitgebern weniger empfindlich ist, beträgt seine Phasenverschiebung daher zwischen 5 und 7 Stunden, was ihn mit der Phasenverschiebung des RER der Leber (10h) desynchronisiert. Darüber hinaus ist der Energieverbrauch während des gesamten 24-Stunden-Zeitraums um etwa 9 % niedriger, was bedeutet, dass der Körper nicht nur mit Spitzenwerten des Kohlenhydratverbrauchs im Einklang ist, sondern auch weniger Energie verbraucht. Daher führt die Speicherung von mehr Fett bei Mäusen während der subjektiven Nachtfütterung in Verbindung mit einer Verringerung des Energieverbrauchs zu einer Erhöhung der Anzahl der Fettzellen bei Individuen. Die Desynchronisation der Rhythmen der Leber, die in der Nacht einen Großteil der Energie liefert, führt zu einer weniger effizienten Nutzung von Glykogen und einem starken Ungleichgewicht der Energiehomöostase des Körpers, was sich auf die Gewichtszunahme auswirken kann.
Abschließend werden mehrere Hypothesen aufgestellt, wonach der Zeitpunkt der Nahrungsaufnahme einen Einfluss auf die Gewichtszunahme haben würde. Tatsächlich scheinen die Veränderung der Hormonsekretionsrate wie Leptin, Ghrelin, Corticosteron und Insulin sowie die Abnahme der körperlichen Aktivität des Einzelnen die Hauptursachen für diesen Zuwachs zu sein. Der genaue Mechanismus, der den direkten Zusammenhang zwischen diesen Komponenten und der Gewichtszunahme erklärt, ist jedoch noch unbekannt, obwohl der Zusammenhang zwischen ihnen und Übergewicht nachgewiesen wurde.
Geschlecht: Der Begriff Rhythmus ist bei Frauen weniger leicht zu erlernen als bei Männern (Menstruationszyklus).
Auch die Körperoberfläche spielt eine Rolle.
Das Alter ist ein zu berücksichtigender Faktor:
Zirkadiane Rhythmen während der fetalen Entwicklung
Menschliche zirkadiane Rhythmen werden von den suprachiasmatischen Kernen (SCN) des Hypothalamus erzeugt. Diese NSCs brauchen Zeit, um sich zu bilden, aber ihre vollständige Struktur kann beim Menschen nach etwa 18 bis 20 Schwangerschaftswochen beobachtet werden.
Durch die Untersuchung der Geburtsentwicklung bei Primaten wurde beobachtet, dass nach nächtlicher Lichtexposition die metabolische Aktivität und Expression von c-fos- und per1- Genen in NSCs in einem Alter, das der 24. Schwangerschaftswoche beim Menschen entspricht, stark ansteigt . Dies beweist, dass die sehr verfrühte circadiane Uhr auf Lichtsignale reagiert.
Da der Fötus keinen Zeitgeber (die Eingaben in die Umwelt) besitzt, beinhaltet das zirkadiane Training seiner NSCs die mütterliche Kommunikation zirkadianer Signale. Tatsächlich werden mütterliche Signale benötigt, um die Synchronisation der postnatalen Rhythmen des Fötus zu trainieren. Die ersten Studien, die darauf hindeuteten, dass die biologische Uhr des Fötus wahrscheinlich von der Mutter stammen musste, wurden an Ratten durchgeführt. Die Forscher stellten tatsächlich fest, dass das Enzym, das Melatonin produziert, weiterhin einem zirkadianen Rhythmus folgte, obwohl die Versuchspersonen, Rattenföten, in Umgebungen gebracht wurden, die keinen Hell-Dunkel-Zyklen folgten (LD). Obwohl sie sich unter konstanten Bedingungen befanden, entweder hell oder dunkel, folgte das Enzym unabhängig von der äußeren Umgebung weiterhin einem bestimmten Rhythmus. Die Föten wurden daher mit dem Rhythmus ihrer Mutter synchronisiert. Daraus wurden auch mehrere Studien am Menschen durchgeführt.
Die Mutter kann ihren zirkadianen Zyklus auf viele Arten effektiv an den Fötus weitergeben, beispielsweise durch die Rhythmik ihrer Körpertemperatur, durch die Freisetzung von Cortisol und Melatonin, durch Kontraktionen ihrer Gebärmutter, durch Veränderungen der Glukosekonzentration oder wiederum durch die Freisetzung von CRF („corticosterone release factor“), wobei Corticosteron den zirkadianen Rhythmus der Uterusaktivität beeinflusst. Bezüglich der rhythmischen Ausschüttung von Cortisol durch die Mutter konnte zwar gezeigt werden, dass die Blockade von mütterlichem Cortisol, beispielsweise mit Triamcinolon, zum Verlust des zirkadianen Rhythmus von Herzschlag, Atmung und Mobilität beim Fötus führen kann. Darüber hinaus haben Forscher vorgeschlagen, dass beim Menschen der Spiegel des mütterlichen Glukokortikoids die Funktion der fötalen Nebenniere und damit ihren zirkadianen Rhythmus beeinflussen kann. Mütterliche zirkadiane Rhythmen von CRF und Cortisol können die Aktivität fetaler NSCs durch ihre große Menge an Glucocorticoid-Rezeptoren während der fetalen Entwicklung beeinflussen.
Eine weitere Komponente, die stark an der Entwicklung des Fötus und Neugeborenen sowie an der Regulierung der circadianen Rhythmen beteiligt ist, ist Melatonin. Dieses Hormon ist jedoch besonders, da seine Synthese erst nach der Geburt des Säuglings auftritt. Daher muss es während der Schwangerschaft von der Mutter über die Plazenta übertragen werden. Es wird dann in der Lage sein , auf dem Fötus durch seine spezifischen Rezeptoren auf NSC handelt von den 18 - ten Woche der Schwangerschaft, oder einfach nur , wenn der NSC vollständig ausgebildet ist . Da Melatonin bereits bei der Mutter eine rhythmische Sekretion hat, diktiert sie dem Fötus den Rhythmus nach Tag und Nacht. Nach der Geburt beginnt der Säugling, ihn endogen zu produzieren, aber ein Tag-Nacht-Rhythmus wird wirklich ab etwa 3 Monaten wahrgenommen. Wir wissen, dass Melatonin durch seine vermehrte Ausschüttung in der Nacht unter anderem für Wach-Schlaf-Zyklen verantwortlich ist, aber auch an der Regulierung anderer Zyklen einschließlich der Körpertemperatur beteiligt ist. Es kann daher nicht vernachlässigt werden.
Die zirkadianen Rhythmen des Fötus treten während der Entwicklung sequentiell auf. Tatsächlich von der 22 nd Woche, können wir schon den Rhythmus der Herzfrequenz beobachten , die beginnt. Bei etwa den 29 - ten Schwangerschaftswoche gibt es eine Rhythmik Rest-Aktivitätszyklus und die Körpertemperatur über 24 Stunden trainiert. Neben dem 28 - ten Woche der Schwangerschaft, Schlaf und Schlaf - Zyklus erscheinen. Sie sind essentiell für die neurosensorische und motorische Entwicklung sowie für die Gedächtnisbildung und die Aufrechterhaltung der Gehirnplastizität. Es ist wichtig zu beachten, dass dieser Schlafzyklus nicht dem entspricht, den ein Erwachsener erlebt, sondern er sich in der Entwicklung befindet und diese Entwicklung auch nach der Geburt fortsetzt. Bei Neugeborenen zum Beispiel sind die Schlafperioden unregelmäßig kurz und zahlreich an einem Tag. Diese Perioden dauern zwischen 2,5 und 4 Stunden, das Neugeborene schläft also insgesamt zwischen 16 und 18 Stunden pro Tag. In den Monaten nach der Geburt verlängert sich die Dauer des ununterbrochenen Schlafs allmählich und die Häufigkeit eines Tages nimmt ab, um schließlich einen normalen Zyklus zu ergeben, der Tag und Nacht folgt. Schließlich während der 36 - ten Schwangerschaftswoche gibt es die Bildung von Retinoide-Hypothalamus Weg. Letztere überträgt das Licht aus der Umgebung zu den NSCs.
Äußere Bedingungen während der Entwicklung
Es ist wichtig zu beachten, dass die Entwicklung zirkadianer Zyklen bei Neugeborenen nicht nur auf die Reife der NSCs zurückzuführen ist, sondern auch durch die unterschiedliche Exposition gegenüber Zeitgebern in der postnatalen Phase beeinflusst wird. Zu diesem Thema wurden mehrere Studien durchgeführt.
In einer Studie bestand die erste Gruppe beispielsweise aus termingerechten Säuglingen, die keine langfristige Krankenhausversorgung benötigen, damit sie in einem Zuhause unter normalen Lebensbedingungen gedeihen können und in dem die einzige Bezugsperson ihre Mutter ist. Sie sind daher dem circadianen Sozial- und Verhaltensmuster einer einzelnen Person ausgesetzt. Die zweite Gruppe bilden Frühgeborene, die über einen längeren Zeitraum im Krankenhaus gehalten werden, wo sie mit vielen Betreuern in einem Raum mit konstantem Licht untergebracht werden. Am Ende dieser Studie fanden die Forscher heraus, dass aus den 6 - ten bis 12 - ten Lebenswoche war es möglich , dass die Kinder zu beobachten , die unter einem normalen Hell-Dunkel - Zyklus geblieben waren mehr an Gewicht zugenommen und schlief mehr als die links in konstantem Licht Bedingungen.
Die Analyse mehrerer ähnlicher Situationen zeigt, dass Kinder, die einem normalen Hell-Dunkel-Zyklus ausgesetzt sind, ihre zirkadianen Zyklen unter konstanten Lichtbedingungen schneller entwickeln als andere. Sie wären auch weniger krank und würden schneller wachsen. In Bezug auf das Wachstum von Kleinkindern beeinflusst die Tatsache, dass der Tag-Nacht-Zyklus durch eine Umgebung mit ständigem Licht unterbrochen wird, die Rhythmik des Wachstumshormons. Daher ist es für Neugeborene wichtig, dass ihre innere Uhr schon in sehr jungen Jahren trainiert wird. Ein weiteres Beispiel, das diese Beobachtungen unterstützt, ist die Untersuchung von zwei Gruppen von Frühgeborenen, von denen eine mehrere Tage vor der Entlassung aus dem Krankenhaus, d. h. zwischen 18 und 52 Tagen, Anspruch auf eine phototherapeutische Maske hatte. Die kleinen Kleinkinder wurden dann in eine normale häusliche Umgebung gebracht, in der die Beleuchtung dem Tag-Nacht-Zyklus folgt. Die zweite Gruppe hatte keinen Zugang zu dieser Behandlung und wurde daher ständigem Krankenhauslicht ausgesetzt. Wie bereits erwähnt, hat die ständige Exposition gegenüber diesem Licht viele Auswirkungen. In dieser Studie wurde gezeigt, dass die erste Gruppe im Alter von 52 Wochen einen zirkadianen Melatonin-Rhythmus entwickelt hatte, der mit dem von Nicht-Frühgeborenen identisch war, während die zweite Gruppe länger brauchte, um ihren Rhythmus zu entwickeln Melatonin. Dies zeigt, dass in diesen Situationen nicht die Tatsache, dass man zu früh ist, die Rhythmen beeinflusst, sondern die Bedingungen der äußeren Umgebung. Somit zeigen diese Studien, dass Zeitgeber, deren zyklische Aufhellung während der postnatalen Phase eine große Rolle bei der Entwicklung zirkadianer Zyklen bei Neugeborenen spielt.
In Frankreich hat der Höhlenforscher Michel Siffre vom 18. Juli bis zum 18. Juli im Abgrund von Scarasson eine der ersten Isolationserfahrungen außerhalb der Zeit gemacht14. September 1962auf 2000 m Höhe in den italienischen Alpen (zwischen Limone und Tende).
Die Bedingungen dieses Experiments können sich den Freilaufbedingungen annähern , einer Situation, in der den untersuchten Personen alle Synchronisierer vorenthalten sind. Der freie Lauf ermöglicht es, die Perioden der endogenen Rhythmen jedes Einzelnen hervorzuheben.
Der P r Christian Poirel (Kanada) untersuchte zirkadiane Rhythmen bei Mäusen und Menschen psychopathologischer Phänomene.
Im Jahr 1967, in Psychologie du temps , Paul Fraisse geschaffen und entwickelt , um den Begriff der chronopsychology.
François Testu ( Universität Tours ) untersuchte den Lernrhythmus von Kindern, indem er einfache Übungen machte und die Erfolgsquoten nach Stunden betrachtete. Er beobachtete das Vorhandensein von zwei Akrophasen, 11 h und 17 h 30 (Akrophase, die bei kleinen Kindern nicht existiert) und zwei Batyphasen, die erste bis 13 h 30 (sie hängt nicht direkt und ausschließlich mit der Verdauung des Mittagessens zusammen, andernfalls würde es nach jeder Nahrungsaufnahme auch eine Batyphase nach dem Essen geben). Es dauert etwa 2 Stunden (zwischen 1 p.m. und 3 p.m. ). Dieser Abfall ist eng mit dem physiologischen Abfall der Wachsamkeit verbunden, der der Meridianmulde entspricht. Die zweite findet gegen 15 Uhr 30 Uhr statt. Claire Leconte ist überrascht, ein solches Ergebnis zum Lernrhythmus bei Kindern zu sehen: Wird er nachts geweckt, um einen Aufmerksamkeitstest zu machen? Letzteres hängt zweifellos mit dem Temperaturabfall zusammen, der zwischen 3 und 5 Uhr morgens am niedrigsten ist.
Zusätzlich zu diesem circadianen Aufmerksamkeitszyklus gibt es noch einen ultradianen Zyklus von etwa 90 Minuten, den Nathaniel Kleitman (in) BRAC ( Basic Rest-Activity Cycle , Cycle Fundamental Activity-Rest) nannte. Zum Beispiel ist die Aufmerksamkeit nach Unterrichtsbeginn nach ca. 25 Minuten am Maximum, nimmt dann ab und die Batyphase beträgt ca. 75 Minuten . Keine Forschung hat es erlaubt, ein solches Ergebnis zu bestätigen, die Variation der Aufmerksamkeit während einer einstündigen Lektion hängt stark vom Inhalt dieser Lektion ab, von der Kompetenz des Kindes in Bezug auf die auszuführende Aktivität, von der Motivation, die dieses Kind empfindet für diesen Kurs den pädagogischen Kontext, in dem er durchgeführt wird. Bei den durchgeführten Experimenten gibt es große interindividuelle Unterschiede.
Eine amerikanische Studie ergab einen Aufmerksamkeitszyklus, der dem Intervall zwischen Werbespots entspricht , die Fernsehsendungen schneiden .
Studien und Entdeckungen in der Chronobiologie haben zu neuen Wegen der Behandlung bestimmter Pathologien geführt. Dieser Zweig der Chronobiologie wird Chronotherapie genannt und zielt darauf ab, Patienten gemäß ihrer endogenen Uhr zu behandeln, um den Nutzen der Behandlung zu maximieren und Nebenwirkungen zu reduzieren. Dies kann ein möglicher Behandlungsansatz für bipolare Störungen sein .
Alain Reinberg beharrt unter Berufung auf Folkard auf den Stellenwert der Chronobiologie in der Unfallforschung und nennt einige Gründe:
Diese Wachsamkeitsunterschiede werden bei der Überwachung des Lotsens von Schiffen (Organisation im Schichtbetrieb) oder Kontrollräumen von Industrieanlagen (Chemieanlagen, Kernkraftwerke ) oder Verkehr ( Kontrollturm , Kreuz ) umfassend untersucht. Moderne Industriekatastrophen ereigneten sich mitten in der Nacht, zu einer Zeit geringerer Wachsamkeit; Wir können das berühmte Beispiel des Untergangs der Titanic anführen, der sich während der kritischen Zeit gegen 23 Uhr und 1 Uhr nachts ereignete.
Im Jahr 2011 zeigte eine Studie über die Unparteilichkeit der Justiz , dass die von den Gerichten gewährte Bewährung von 65 % (nach einer Wiederherstellung) bis zu praktisch null Entlassungen vor der Mittagspause variierte.
Die biologische Uhr wird bereits in großem Umfang zu kippte XVIII - ten Jahrhundert . Im Jahr 1729 nennt der französische Astronom Jean-Jacques Dortous de Mairan als Beispiel die Blätter der Mimose , die sich in der Abenddämmerung schließen und sich im Morgengrauen öffnen (auch wenn sie im Dunkeln [lebendig] gehalten wird).
Mit der Entdeckung der Bedeutung von Melatonin begann man erst im 20. Jahrhundert, den genetischen und molekularen Mechanismus aufzuklären. Seymour Benzer und Ronald Konopka vom California Institute of Technology in Pasadena schufen in den 1970er Jahren mutierte Fruchtfliegen mit einer abnormalen biologischen Uhr und zeigten, dass diese Mutationen und Anomalien von demselben mutierten Gen stammen, das sie mit anderen das Gen „Periode“ ( die 1984 sequenziert wird).
Im Jahr 2017 die Arbeit an den Mechanismen der biologischen Uhr (Identifizierung von Genen im zirkadianen Rhythmus, beteiligt Drosophila ) durchgeführt von drei amerikanischen Forschern: Jeffrey Halle , Michael Rosbash und Michael Young wurde der ausgezeichneten Nobelpreis für Medizin . In 1984 hatte Herr Rosbash ein Gen namens „isoliert Periode “ Steuerung des zirkadianen biologischen Rhythmus. Mit Jeffrey Hall zeigte er, dass das PER-Protein (kodiert durch das Perioden- Gen ) in Zellen mit einem Peak nachts akkumuliert und dann tagsüber abgebaut wird. Dann im Jahr 1994 zeigt Michael Young, dass ein anderes Gen namens "timeless" ein Protein namens "TIM " kodiert, das für die Entwicklung des zirkadianen Rhythmus essentiell ist, TIM bindet an PER, um in den Zellkern einzudringen und die Aktivität des Perioden- Gens zu blockieren. ( Negative Rückmeldung). Dieses Prinzip wurde bei Drosophila nachgewiesen, dann aber in den Zellen vieler anderer Arten, einschließlich Homo sapiens, gefunden .