Biologische Desynchronisation

Artikel von Simon Folkard

Grundlegendes

• Die meisten Organismen haben einen Rhythmus oder eine biologische innere Uhr entwickelt, um Periodizitäten in der Umwelt zu antizipieren

• Der Rhythmus ist durch zyklisch ablaufende Variationen der Körperprozesse bestimmt

Kriterien des biologischen Rhythmus

• 1. Periode (normalerweise 24 stunden)

• 2. Phase (Zeit bis zum Maximum der Kurve)

• 3. Amplitude (Abstand von Null zum Maximum)

Abb. 2.1

Kriterien des biologischen Rhythmus

• 4. Wellenform (Abweichungen von der Sinuskurve)

Abb. 2.2

Endogene vs. Exogene Komponenten

• Der offensichtliche biologische Rhythmus wird durch zwei Systeme kontrolliert:

• 1. Das endogene System entspricht der inneren Uhr und ist nicht leicht veränderbar

• 2. Das exogene System ist schwächer und reagiert schnell auf Einflüsse aus der Umwelt

• Beide Systeme werden im Normalfall durch Zeitgeber synchron gehalten

Das endogene Zeitsystem

• Isoliert man Personen für einen längeren Zeitraum von allen Zeitgebern aus der Umwelt, verändert sich ihr Temperatur- und Schlaf-Wach-Rhythmus

• Der Rhythmus wird dann als „free-running“ bezeichnet und pendelt sich auf ca. 25 Stunden ein

Desynchronisation von Rhythmen

• In 1/3 der Fälle kommt es zu spontanen Desynchronisationen, d.h. verschiedene Rhythmen zeigen „free-running“ mit unterschiedlichen Perioden

Abb. 2.4

Schlafkontrolle durch die „innere Uhr“

• Wenn die Körpertemperatur fällt, steigt die Schlafneigung, umgekehrt sinkt sie, wenn die Temperatur steigt

• Für die Schlafdauer ist es entscheidend, in welcher Phase des Temperaturrhythmus man einschläft

• Für die Schlafneigung stellt die Körpertemperatur also eine endogene Komponente dar („innere Uhr“)

• Der Hell-Dunkelrhythmus und Mahlzeiten beeinflussen die exogene Komponente der Schlafneigung.

• Innerlich desynchronisierte Personen gehen spontan in verschiedenen Phasen der endogenen Komponente ihres Rhythmus schlafen

Günstige Schlafzeiten

• Die Schlafneigung ist typischerweise nachts hoch und tagsüber niedrig

Abb. 2.6

Verschiebung des Schlafrhythmus

• Durch kurze Nachtschichtphasen verändert sich der Schlafrhythmus

• Die exogene Komponente stellt sich sofort auf den neuen Rhythmus ein

• Die endogene Komponente zunächst nicht, da die externen Zeitgeber konstant bleiben

Erfassung endogener und exogener Komponenten der Wachheit

• Durch die Methode der „Konstanten Routinen“ lässt sich der Anteil der endogenen Komponenten von den exogenen Komponenten isoliert betrachten

• Dabei setzt man die externen Zeitgeber außer Kraft, indem VP nur leichte Snacks gegeben werden, während sie den ganzen Tag im Bett liegen und wach aber inaktiv bleiben sollen. Die Lichtverhältnisse werden konstant gehalten, so dass kein Tages- und Nachtrhythmus entsteht.

• Aus diesen Versuchen weiß man, dass die endogene Komponente der verschiedenen Biorhythmen (Temperatur, Wachheit) dem Verlauf einer Sinuskurve ähnelt

Erfassung endogener und exogener Komponenten der Wachheit

• Die exogene Komponente zeigt einen eher linearen Verlauf und variiert stark in Abhängigkeit von Schlafmuster, Aktivität und Mahlzeiten

Abb. 2.8

Die Anpassung der zirkadianen Rhythmen an die Schichtarbeit

Einleitung

• Die Anpassung hängt ab von

1. Dem Umfang und dem Maß der Kontrolle über die exogenen Faktoren

2. Von der Art des Schichtsystems

4.1 Untersuchungen an Krankenschwestern, die drei aufeinanderfolgende Wochen Nachtdienst gemacht

haben

• Merkliche Abflachung der Temperaturkurve im Gesamtverlauf und unvollständige Anpassung

• Verschiedene Rhythmen passen sich in unterschiedlichen Raten an

Anpassung der Rhythmen in der ersten Woche recht schnell, in den folgenden zwei Wochen merklich langsamer

4.2Mathematische Modellierungen zur Vorhersage von Anpassungen

• Anpassung an Sinuskurve um Voraussagen machen zu können

• Phasenverschiebung von 5,6 Stunden

4.2.1 Die Modellierung der Anpassung an den Zirkadianrhythmus

• Veränderte Form der Nachtschichtkurve spiegelt Phasenverschiebungen wieder

• Verschiebung der exogene Komponenten auf veränderte Schlafenszeit zurückzuführen

• Endogene Komponente verbleibt unverändert• Überprüfung durch Verschiebung der exogenen

Faktoren und Hinzufügung der endogenen Faktoren

Kritik an dieser Methode

• Rein technische Modellierung

• Ergebnis liefert keinen Beleg für die Basisannahmen (exogene Komponente passt sich an, endogene Komponente bleibt unverändert)

Vergleich mit den normierten Daten

Weitere Kritik

• Man kann gegenteilige Annahmen mathematisch belegen, die in der Empirie jedoch nicht haltbar sind

• Entweder muss der Ansatz durch andere Befunde abgesichert werden

• Oder die endogene Komponente der Rhythmen muss belegt werden

4.2.2 Die „Klärende“ Modellierungstechnik

• Provozierter „Jet-Lag“, um den Grad der Anpassung der endogenen Komponente des Temperaturrhythmus einschätzen zu können

• Exogene Komponente wurde vom „offenkundigen“ Rhythmus getrennt

• Erweiterung um den Aktivitätslevel der vorausberechnete Rhythmus der Temperatur und

die Einschätzung der Anpassung der „inneren Uhr“ zeigten etwa die selbe Ausprägung

Kritik an „Klärender“ Modellierungstechnik

• Noch nicht präzise die Beziehung zwischen der objektiv messbaren Veränderung der Aktivität und den Änderungen der Körpertemperatur ermittelt

Erkenntnisse

• Schlafneigung kann zurückgeführt werden auf:

1. Endogene Komponente (innere Uhr)

2. Exogene Komponente („Vergangene Zeit nach dem Erwachen“)

Die mathematische Modellierung

• Subtraktion der exogenen Komponente von den subjektiven Einschätzungen ergibt die endogene Komponente

• Phase der endogenen Komponente kann nun besser eingeschätzt werden und als Vorhersage genutzt werden

• Anschließend Vergleich mit beobachteten Ausprägungen

4.3 Untersuchung an Polizisten im Schichtdienst

4.3.1 Die Phasen der endogenen Komponente

• Frühdienst: 15,9 Std. (bis zum höchsten Grad der Wachheit)

• Spätdienst: 17.9 Std.

• Nachtdienst: 23.3 Std.

Normale Phase: 16,8 Std.

4.3.2 Schlussfolgerungen

• Endogene Komponente von erfahrenen Schichtarbeitern zeigt Anpassung an Schichtarbeit

• Gegensatz zu experimentellen Studien aus Kapitel 4.1!

• Mögliche Erklärung „Healthy-Shiftworker-Effect“

Vergleich Tagesdienst vs. Nachtdienst

Ideale Umstellung

• Würde Wachheit im Nachtdienst nur geringfügig verbessern, sie wäre

- Immer noch gravierend geringer als im Tagesdienst

- Sinkt im Laufe der Nachtschicht noch beträchtlich

Wachheitsmodell (Folkard et al.)

• Wird genutzt um Vorhersagen bezüglich der Einschätzungen der Polizisten zu machen

• Annahme a) Keine Anpassungb) Perfekte Anpassungzur Veränderten Schlafenszeitc) Schlafdauer 8 Stunden in jeder Schicht

Ergebnisse

• Komplette Anpassung der Schlafenszeit würde Wachheit während der Arbeit verbessern

• In der Nachtschicht wäre Wachheit am geringsten und fällt weiter ab

• Bestätigung der Ergebnisse durch experimentelle Studien

Kritik an diesem Modell

• Diskrepanzen zur Realität:

Schichtarbeiter bekommen in den seltensten Fällen 8 Stunden Schlaf am Stück

kürzere Schlafenszeiten Enden in niedrigeren Wachheitseinschätzungen

6. Faktoren, die die Anpassung an den Zirkadianrhythmus beeinflussen

• Zwei Hauptaspekte

1. Individuelle Unterschiede

2. Verschiedene äußere Einflüsse

6.1 Individuelle Unterschiede in der zirkadianen Anpassung

• Morgentyp vs. Nachmittagtyp

• Persönlichkeitseigenschaften

• Alter und Geschlecht

6.2 Einflüsse von Außen, die die Zirkadiananpassung unterstützen

• Medikamente

• Melatonin

• Änderung der Lichtverhältnisse