stringtranslate.com

Кривая фазового отклика

Кривая фазового отклика ( PRC ) иллюстрирует переходное изменение ( фазовый отклик ) в периоде цикла колебания, вызванного возмущением, как функцию фазы , в которой оно получено. PRC используются в различных областях; примерами биологических колебаний являются сердцебиение, циркадные ритмы и регулярная, повторяющаяся активация, наблюдаемая в некоторых нейронах в отсутствие шума. [1] [ требуется лучший источник ]

В циркадных ритмах

Кривые фазового отклика для света и введения мелатонина

У людей и животных существует регуляторная система, которая управляет фазовым соотношением внутренних циркадных часов организма с регулярной периодичностью во внешней среде (обычно регулируемой солнечными сутками). У большинства организмов желательно стабильное фазовое соотношение, хотя в некоторых случаях желаемая фаза будет меняться в зависимости от сезона, особенно среди млекопитающих с сезонными привычками спаривания.

В исследовании циркадных ритмов PRC иллюстрирует связь между временем введения хронобиотика (относительно внутренних циркадных часов) и величиной эффекта 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 впадин в каждом 24-часовом цикле. Относительное циркадное время наносится на график в зависимости от величины фазового сдвига. Лечение обычно узко определено как установленная интенсивность, цвет и продолжительность воздействия света на сетчатку и кожу или установленная доза и формула мелатонина.

Эти кривые часто используются в терапевтических целях. Обычно различные физиологические ритмы организма синхронизируются в пределах отдельного организма (человека или животного), обычно по отношению к основным биологическим часам. Особое значение имеет цикл сна и бодрствования. Различные нарушения сна и внешние стрессы (например, смена часовых поясов ) могут мешать этому. Люди с не 24-часовым расстройством сна и бодрствования часто испытывают неспособность поддерживать постоянные внутренние часы. Экстремальные хронотипы обычно поддерживают постоянные часы, но обнаруживают, что их естественные часы не совпадают с ожиданиями их социальной среды. Кривые PRC служат отправной точкой для терапевтического вмешательства. Два распространенных метода лечения, используемых для смещения времени сна, — это светотерапия , направленная на глаза, и введение гормона мелатонина , обычно принимаемого перорально. Любой из них или оба можно использовать ежедневно. Фазовая корректировка, как правило, кумулятивна при последовательных ежедневных введениях и — по крайней мере частично — аддитивна при одновременном введении различных методов лечения. Если основное нарушение носит стабильный характер, обычно требуется постоянное ежедневное вмешательство. При смене часовых поясов вмешательство в основном направлено на ускорение естественного выравнивания и прекращается после достижения желаемого выравнивания.

Обратите внимание, что кривые фазового ответа в экспериментальной обстановке обычно являются совокупностями для исследуемой популяции, что в пределах исследуемой популяции могут быть как незначительные, так и значительные вариации, что люди с расстройствами сна часто реагируют нетипично, и что формула хронобиотика может быть специфична для экспериментальной обстановки и не всегда доступна в клинической практике (например, для мелатонина одна формула с замедленным высвобождением может отличаться по скорости высвобождения по сравнению с другой); также, хотя величина зависит от дозы, [2] не все графики PRC охватывают диапазон доз. Обсуждения ниже ограничиваются PRC для света и мелатонина у людей.

Свет

Типичный Человеческий Свет PRC
Время, показанное на оси x, неопределенно: рассвет – середина дня – сумерки – ночь – рассвет. Это время не относится ни к фактическому восходу солнца и т. д., ни к определенному времени по часам. У каждого человека есть свои собственные циркадные «часы» и хронотип, а рассвет на иллюстрации относится ко времени спонтанного пробуждения человека, когда он хорошо отдохнул и регулярно спит. PRC показывает, когда стимул, в данном случае свет для глаз, вызовет изменение, опережение или задержку. Самая высокая точка кривой совпадает с самой низкой температурой тела субъекта.

Начиная примерно за два часа до обычного времени отхода ко сну, воздействие света на глаза задержит циркадную фазу, вызывая более позднее пробуждение и более позднее засыпание. Эффект задержки усиливается с наступлением вечера; он также зависит от длины волны и освещенности («яркости») света. Эффект невелик, если освещение в помещении тусклое (< 3 люкс).

Примерно через пять часов после обычного времени отхода ко сну, совпадая с минимумом температуры тела (самая низкая точка температуры тела во время сна), PRC достигает пика, и эффект резко меняется с задержки фазы на опережение фазы. Сразу после этого пика воздействие света оказывает наибольшее влияние на опережение фазы, вызывая более раннее пробуждение и начало сна. Опять же, освещенность сильно влияет на результаты; освещенность в помещении может быть менее 500 люкс, в то время как светотерапия использует до 10 000 люкс. Эффект уменьшается примерно через два часа после спонтанного пробуждения, когда он достигает примерно нуля.

В период между двумя часами после обычного времени пробуждения и двумя часами до обычного времени отхода ко сну воздействие света практически не оказывает влияния на циркадную фазу (незначительные эффекты, как правило, нейтрализуют друг друга).

Другое изображение PRC для света здесь (рисунок 1). На этом изображении пояснительный текст

Светотерапия, обычно с использованием светового короба, создающего 10 000 люкс на заданном расстоянии, может использоваться вечером для задержки или утром для ускорения времени сна человека. Поскольку большинство людей считают нежелательным не спать, чтобы получить яркое световое воздействие, и поскольку очень трудно точно оценить, когда у человека будет наблюдаться наибольший эффект (пик PRC), лечение обычно применяется ежедневно непосредственно перед сном (для достижения задержки фазы) или сразу после спонтанного пробуждения (для достижения опережения фазы).

Помимо использования для корректировки циркадных ритмов, светотерапия применяется в качестве лечения ряда аффективных расстройств, включая сезонное аффективное расстройство (САР). [4]

В 2002 году исследователи из Университета Брауна под руководством Дэвида Берсона объявили об открытии особых клеток в человеческом глазу , ipRGCs ( внутренне светочувствительные ганглиозные клетки сетчатки ), [5] которые, как многие исследователи теперь считают, контролируют эффект увлечения света кривой фазового отклика. В человеческом глазу ipRGCs 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 антагонизма, в которой добавление других спектральных цветов делает синий свет менее эффективным для циркадной фототрансдукции, была поддержана исследованием, опубликованным в 2005 году. [7]

Мелатонин

Кривая фазового отклика для мелатонина примерно на двенадцать часов отличается от кривой фазового отклика для света. [8] Во время спонтанного пробуждения экзогенный (вводимый извне) мелатонин оказывает небольшое фазо-замедляющее действие. Количество фазовой задержки увеличивается примерно до восьми часов после пробуждения, когда эффект резко меняется от сильной фазовой задержки до сильного фазового опережения. Фазо-опережающее действие уменьшается в течение дня, пока не достигнет нуля к моменту отхода ко сну. С обычного времени отхода ко сну до времени пробуждения экзогенный мелатонин не оказывает никакого влияния на циркадную фазу. [9] [10]

Человеческий организм вырабатывает собственный ( эндогенный ) мелатонин, начиная примерно за два часа до сна, при условии, что освещение слабое. Это известно как начало выработки мелатонина при слабом освещении (DLMO). [11] Это стимулирует фазово-опережающую часть PRC и помогает поддерживать организм в обычном режиме сна и бодрствования. Это также помогает подготовить организм ко сну.

Введение мелатонина в любое время может иметь легкий снотворный (вызывающий сон) эффект. Ожидаемый эффект на время фазы сна, если таковой имеется, прогнозируется PRC.

Аддитивные эффекты

В исследовании 2006 года Виктория Л. Ревелл и др. показали, что сочетание утреннего яркого света и дневного мелатонина, оба рассчитанные по времени сдвига фазы в соответствии с соответствующими PRC, вызывают больший сдвиг фазы сдвига, чем яркий свет сам по себе, в общей сложности до 2 1⁄2 часов . Все значения времени являются приблизительными и различаются у разных людей. В частности, не существует удобного способа точно определить время пиков и нулевых пересечений этих кривых у одного человека. Введение света или мелатонина близко ко времени, когда ожидается резкое изменение смысла эффекта, может, если время переключения точно не известно, вызвать эффект, противоположный желаемому. [12]

Упражнение

В исследовании 2019 года Шон Д. Янгстедт и др. показали, что у людей «физические упражнения вызывают эффекты сдвига циркадной фазы, но необходима дополнительная информация. [...] Были установлены значимые кривые фазового ответа для начала aMT6 (производное мелатонина) и акрофазы с большими задержками фазы с 7:00 вечера до 10:00 вечера и большими сдвигами фазы как в 7:00 утра, так и с 13:00 дня до 16:00 дня» [13]

Источник

Первое опубликованное использование термина «кривая фазового отклика» было в 1960 году Патрисией ДеКурси. «Ежедневные» ритмы активности ее белок-летяг , содержавшихся в постоянной темноте, реагировали на импульсы светового воздействия. Реакция варьировалась в зависимости от времени суток — то есть субъективного «дня» животных — когда подавался свет. Когда ДеКурси нанесла все свои данные, касающиеся количества и направления (опережение или задержка) фазового сдвига на одну кривую, она создала PRC. С тех пор это стандартный инструмент в изучении биологических ритмов. [14]

В нейронах

Анализ кривой фазового отклика может быть использован для понимания внутренних свойств и колебательного поведения нейронов с регулярными импульсами . [15] Нейрональные PRC можно классифицировать как чисто положительные (тип PRC I) или как имеющие отрицательные части (тип PRC II). Важно, что тип PRC, демонстрируемый нейроном, указывает на его входную-выходную функцию (возбудимость), а также на поведение синхронизации: сети нейронов типа PRC II могут синхронизировать свою активность через взаимные возбуждающие связи, но сети нейронов типа PRC I не могут. [16]

Экспериментальная оценка PRC в живых, регулярно спайковых нейронах включает измерение изменений в межспайковом интервале 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 нейромодуляторного состояния нейрона [18] .

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Canavier CC (2006). "Кривая фазового отклика". Scholarpedia . 1 (12): 1332. Bibcode :2006SchpJ...1.1332C. doi : 10.4249/scholarpedia.1332 .
  2. ^ Берджесс HJ, Ревелл VL, Истман CI (январь 2008). «Трехфазная кривая ответа на три миллиграмма мелатонина у людей». Журнал физиологии . 586 (2): 639–47. doi :10.1113/jphysiol.2007.143180. PMC 2375577. PMID  18006583 . 
  3. ^ Крипке ДФ, Ловинг РТ (2001). «Выведение терапии на свет». Обзор сна (1).
  4. ^ Уолш Дж., Аткинсон ЛА, Корлетт СА, Лалл Г.С. (2014). «Взгляд на свет как хронобиологическую терапию». ChronoPhysiology and Therapy . 4 : 79–85. doi : 10.2147/CPT.S56589 . Получено 31 мая 2015 г.
  5. ^ Браун Ученые раскрывают внутреннюю работу редких клеток глаза
  6. ^ Glickman G, Byrne B, Pineda C, Hauck WW, Brainard GC (март 2006 г.). «Светотерапия сезонного аффективного расстройства с помощью синих узкополосных светодиодов». Biological Psychiatry . 59 (6): 502–7. doi :10.1016/j.biopsych.2005.07.006. PMID  16165105. S2CID  42586876.
  7. ^ Figueiro MG, Bullough JD, Bierman A, Rea MS (октябрь 2005 г.). «Демонстрация сбоя аддитивности в циркадной фототрансдукции человека». Neuro Endocrinology Letters . 26 (5): 493–8. PMID  16264413.
  8. ^ Lewy AJ, Ahmed S, Jackson JM, Sack RL (октябрь 1992 г.). «Мелатонин сдвигает циркадные ритмы человека в соответствии с кривой фазового ответа». Chronobiology International . 9 (5): 380–92. doi :10.3109/07420529209064550. PMID  1394610.
  9. ^ Берджесс HJ, Ревелл VL, Истман CI (январь 2008). «Трехфазная кривая ответа на три миллиграмма мелатонина у людей». Журнал физиологии . 586 (2): 639–47. doi :10.1113/jphysiol.2007.143180. PMC 2375577. PMID  18006583 . 
  10. ^ Lewy A (июль 2010 г.). «Клинические аспекты кривой ответа фазы мелатонина». Журнал клинической эндокринологии и метаболизма . 95 (7): 3158–60. doi :10.1210/jc.2010-1031. PMC 2928905. PMID  20610608 . 
  11. ^ Sletten TL, Vincenzi S, Redman JR, Lockley SW, Rajaratnam SM (2010). «Время сна и его связь с эндогенным ритмом мелатонина». Frontiers in Neurology . 1 : 137. doi : 10.3389/fneur.2010.00137 . PMC 3008942. PMID  21188265 . 
  12. ^ 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». Журнал клинической эндокринологии и метаболизма . 91 (1): 54–9. doi :10.1210/jc.2005-1009. PMC 3841985. PMID  16263827 . 
  13. ^ Youngstedt SD, Elliott JA, Kripke DF (апрель 2019 г.). «Кривые реакции циркадных фаз человека на физические упражнения». Журнал физиологии . 597 (8): 2253–2268. doi :10.1113/JP276943. PMC 6462487. PMID  30784068 . 
  14. ^ Zivkovic B (2007). "Clock Tutorial #3c - Darwin On Time". Блог Around the Clock . ScienceBlogs LLC. Архивировано из оригинала 2012-05-19 . Получено 2007-11-03 . [PRC] является единственным важнейшим методологическим инструментом в изучении всех биологических ритмов .
  15. ^ Gutkin BS, Ermentrout GB, Reyes AD (август 2005). «Кривые фазового отклика дают ответы нейронов на кратковременные входы». Journal of Neurophysiology . 94 (2): 1623–35. CiteSeerX 10.1.1.232.4206 . doi :10.1152/jn.00359.2004. PMID  15829595. 
  16. ^ Ermentrout B (июль 1996). «Мембраны типа I, кривые сброса фазы и синхронность». Neural Computation . 8 (5): 979–1001. doi :10.1162/neco.1996.8.5.979. PMID  8697231. S2CID  17168880.
  17. ^ Tsubo Y, Takada M, Reyes AD, Fukai T (июнь 2007 г.). «Слоистые и частотные зависимости свойств фазового ответа пирамидальных нейронов в моторной коре крыс». The European Journal of Neuroscience . 25 (11): 3429–41. doi :10.1111/j.1460-9568.2007.05579.x. PMID  17553012. S2CID  1232793. Архивировано из оригинала 2013-01-05.
  18. ^ Stiefel KM, Gutkin BS, Sejnowski TJ (2008). Ermentrout B (ред.). "Холинергическая нейромодуляция изменяет форму и тип кривой фазового ответа в корковых пирамидальных нейронах". PLOS ONE . 3 (12): e3947. Bibcode : 2008PLoSO...3.3947S. doi : 10.1371/journal.pone.0003947 . PMC 2596483. PMID  19079601 . 

Дальнейшее чтение