Склонность некоторых просыпаться рано, а других ложиться поздно, определяется генами. Недавнее исследование (опубликовано в журнале "Nature Communications" в январе) показало, что гены могут определять естественное время пробуждение с точностью до 25 минут.
Свою роль играют гормоны, участвующие в цикле сна-активности. Уровни мелатонина и кортизола значительно варьируются между двумя рассматриваемыми группами на протяжении 24-часового цикла. Пиковый период по этим гормонам наступает у "сов" на 3-4 часа позже, чем у "жаворонков".
Циркадный фенотип влияет на функциональную силу связей, эффективность внимания и сонливость в мозге, находящемся в состоянии покоя.
Отчет об исследовании
Brain Scans Reveal Why Night Owls Have It Rough in a 9-to-5 Society
Перевод с английского (с изъятиями)
Общество исследования сна ("Sleep Research Society"), 2019 год.
Издатель: "Oxford University Press"
Состав рабочей группы:
Элис Р. Фейсер-Чайлдс (Elise R. Facer-Childs) 1, 2, 5
Брунно М. Кампос (Brunno M. Campos) 3
Бенита Миддлтон (Benita Middleton) 4
Дебра Дж. Скин (Debra J. Skene) 4
Эндрю П. Багшо (Andrew P. Bagshaw) 2, 5
(1) School of Biosciences, University of Birmingham
(2) Centre for Human Brain Health, University of Birmingham
(3) School of Medical Sciences, University of Campinas
(4) Faculty of Health & Medical Sciences, University of Surrey
(5) School of Psychology, University of Birmingham
Введение
Функциональная коннективность между сетями головного мозга (далее - ФК) является природной основой для его когнитивного функционирования. Нарушения этого взаимодействия ассоциируются с проблемами сна и неврологическими расстройствами. Однако значительных исследований, раскрывающих воздействие циркадного фенотипа и дневного графика на ФК, не проводилось.
Социальные требования нередко противоречат внутренним биологическим ритмам индивида, что приводит к негативным последствиям для душевного и физического здоровья, снижает эффективность деятельности. Высшей формой проявления такой ситуации является сменный график работы, во время которого расхождения между назначаемым сверху графиком службы/отдыха и внутренним циркадным ритмом может привести к когнитивным расстройствам, ухудшению душевного здоровья, росту рисков для здоровья организма (в том числе к развитию рака и проблемам в иммунной системе).
Тем не менее, расхождение не всегда вызывается необычным рабочим графиком. По сути, большое значение имеет то, что внутренняя временная организация индивида (то есть, циркадный фенотип) и рабочий график не согласуются друг с другом. В частности, традиционный рабочий день с 9:00 до 17:00 может оказаться вредным для тех, кто биологически предпочитает ложиться и вставать поздно. Такой конфликт может быть связан с эффектом накопленного недосыпа, возникающего в результате позднего отхода ко сну. Это усугубляет проблемы. Негативные последствия по своему виду и масштабу аналогичны вышеприведенным примерам. Такого рода конфликт изучен гораздо хуже, чем ситуация с работой в ночную смену, однако его эффект может быть гораздо более существенным. По оценкам Национальной службы статистики США в ночную смену работает 12% населения, тогда как примерно 50% предпочитает вставать позже 08:18 утра. Поэтому для нас очень важно улучшить понимание этих вопросов, чтобы свести к минимуму риски в сфере здравоохранения и максимально повысить производительность.
Хорошо известно, что циркадный ритм, то есть предпочтительный период активности в течение дня и хронотип, индивидуальны. На полюсах этого диапазона находятся такие группы индивидов, которых можно называть жаворонками и совами (далее - РЦФ (ранний циркадный фенотип) и ПЦФ (поздний циркадный фенотип), соответственно). РЦФ можно охарактеризовать как в меньшей степени страдающих от нарушений сна, имеющих более полезные предпочтения в еде, что снижает риск ожирения и диабета, и более высокие стандарты в спортивных достижениях. ПЦФ, напротив, ассоциируются с повышенной сонливостью в течение дня, более высоким потреблением алкоголя и психоактивных веществ, ослабленным психологическим здоровьем, большей распространенностью депрессии, расстройств сна, негативных последствий для здоровья и повышенной смертностью. Постоянне сбои внутреннего циркадного ритма, возникающие в результате попыток встроиться в социальный график (на работе или учебе), предположительно, являются основной причиной этих негативных воздействий на ПЦФ. Такое расхождение между биологическим и социальным графиком называют социальным джетлагом.
Последствия нарушений сна и циркадного ритма для здоровья и когнитивных функций изучены хорошо. В данной сфере функциональная МРТ по-прежнему применяется спорадически, а большая часть исследований, посвященных взаимосвязи между мозговыми функциями и вниманием, сосредоточивается на применении прикладной функциональной МРТ. Тем не менее, оптимальная когнитивная эффективность и хорошее душевное здоровье возможны при надлежащей координации действий между распределенными функциональными нейронными сетями (их также называют внутренними взаимосвязанными сетями, далее - ВВС). Сеть пассивной работы мозга (далее - ПРМ), одна из ВВС, особенно сильно страдает от индивидуальных особенностей отхода ко сну, недостатка сна, вариаций между привычными паттернами сна. Она демонстрирует суточные колебания в своих функциональных связях. Самый активный период ПРМ приходится на моменты отсутствия внешних когнитивных задач. Она ассоциируется с такими разнообразными функциями как самоорганизующийся процесс, обеспечивающий функционирование сонания, регулирование когнитивных функций, внимания и кратковременной памяти. Кроме того, она изменяется под воздействием ряда психиатрических и неврологических заболеваний, например болезни Альцгеймера и депрессии.
Проведение функциональной МРТ в состоянии покоя представляет собой вспомогательную методику прикладной функциональной МРТ, при этом эффективность и цельность ВВС ассоциируется с интеллектуальной эффективностью и повышением уровня интеллекта. Это очень важно в том смысле, что тестирование ФК в состоянии покоя можно задействовать при прогнозировании мер воздействия на эффективность когнитивных функций. Тем не менее, во время таких исследований использовалась прикладная функциональная МРТ, а также контролировалось влияние циркадного фенотипа. Для этой цели график тестов составлялся с учетом внутреннего циркадного ритма, например с интервалом в 4 часа, начиная с момента, наступающего через 1,5 часа после пробуждения. Таким образом предотвращалось возникновение последствий, которые имел бы циркадный фенотип в реальной жизни, в течение стандартного социально-ограниченного дня.
Резюмируя, отметим, что нейровизуализация все больше используется как метод исследования сна. Однако вариативность условий между индивидами (например, разные циркадные фенотипы) усложняет наблюдения, что редко учитывается во время исследований. И это невзирая на недавние результаты, подтверждающие суточные колебания в работе мозга.
Поскольку ПРМ, очевидно, имеет большое значение для функционирования сознания, зависит от колебаний сна и задействована в когнитивных функциях, в настоящем исследовании она выбрана для изучения влияния циркадного фенотипа на работу мозга в состоянии покоя на протяжении стандартного дня, график которого определяется социальной традицией (с 8:00 до 20:00). Во время сбора информации о функциональной целостности ПРМ в состоянии покоя были задействованы как передний (префронтальная кора головного мозга, далее - пКГМ), так и задний (кора задней части поясной извилины, далее - КЗЧ) участок ПРМ. Полученные данные соотнесены с эффективностью внимания и сонливостью за пределами сканера МРТ. Мы предполагаем, что ПЦФ покажут менее эффективную ФК по сравнению с РЦФ, а различия в уровне ФК можно будет коррелировать с особенностями поведения.
Цель исследования
Исследовать ФК в ПРМ в условиях состояния покоя в организмах раннего и позднего циркадного фенотипа на протяжении светлой части дня, график которой определяется социальной традицией.
Методы
Исследование одобрено Комитетом по этике Университета г. Бирменгема (University of Birmingham Research Ethics Committee). Участники (204 человека) набраны на территории Университета г. Биргмингема и в районах поблизости. Они заполнили анкету по определению хронотипа (Munich Chronotype Questionnaire (MCTQ38), после чего их осмотрели на предмет противопоказаний против включения в программу исследования (с учетом истории болезней и реакции на воздействие магнитного резонанса).
К участию в главном исследовании были приглашены 38 здоровых индивидов (из них 14 мужского пола; возраст 22.7 ± 4.2 года), отвечающих всем критериям. Их распределили в категории раннего (16 человек) и позднего (22 человека) циркадного фенотипа. Исследование началось с двухнедельного периода замеров с помощью актиграфов и снятия проб слюны для определения ритмики мелатонина и кортизола. После этого участники прошли осмотр в 14:00, 20:00 и в 8:00 на следующее утро. Он включал в себя сканирование на функциональном МРТ в состоянии покоя, сканирование в режиме Т1, выполнение задач на внимание и когнитивные функции, подготовку самостоятельных отчетов о сонливности в течение светлой части дня.
В целях исследования ПРМ проводился анализ на основе выбора зоны интереса в префронтальной коре и коре задней части поясной извилины. После этого проводилось сравнение результатов между группами, ассоциация с данными о поведении.
Во время каждой сессии проводилось тестирование когнитивных функций. Была разработана анкета для сбора данных о событиях, происходящих между сессиями (когда участники выходили за пределы лаборатории). Пытались частично контролировать внешние переменные и подтвердить отсутствие различий между группами. Проводился сбор данных за периоды (1) приема пищи; (2) потребления кофеина; (3) физической активности; (4) нахождения в условиях естественного освещения; (5) нахождения в условиях искусственного освещения.
Анализ сна
Участники носили актиграфы (модель "Actiwatch® Light", "Cambridge Neurotechnology Ltd") на запястье не ведущей руки. Устройства собирали данные об активности и нахождении в условиях освещенности (от 1 до 32 000 люкс) в течение 13-16 дней перед проведением сессий тестирования. Это позволило мониторить паттерны сна и активности непрерывно в домашнем окружении. Сбор данных проводился в формате одноминутных подключений (в режиме средней чувствительности), дополнительно участники вели ежедневные дневники о периодах сна. Для анализа данных использовалась программа "Sleep Analysis 7 Software" (версия 7.23, "Cambridge Neurotechnology Ltd"). На протяжении этого периода участники занимались своими обычными предпочтениями, их не ограничивали заданными графиками.
Нейровизуализация
Снятие изображений проводилось на сканере МРТ "Philips Achieva 3T" с 32-канальной катушкой. Параллельно со снятием линии, соединяющей переднюю и заднюю комиссуры, были получены полные эхопланарные представления мозга. Респираторные и кардиологические колебания фиксировались пульсоксиметром и пневматическим поясом (предоставлены производителем сканера). Во время каждой сессии в сканере устанавливалась камера для контроля за глазами участников, которые должны были оставатья открытыми. То есть, состояние сна не инициировалось. В случае, если глаза закрывались более чем на 15 секунд, то есть на половину стандартного срока подготовки ко сну, сканирование повторялось. Это произошло один раз. Во время сканирования соблюдался стандартный операционный протокол, введенный в Центре визуализаций Бирмингемского университета. Во время сессий сканирония участников не просили выполнять никаких задач.
Эффективность внимания и сонливость
Непосредственно после сканирования участников просили пройти в помещение для тестирования и выполнить двухминутный тест психомоторной бдительности и тест Струпа на словесно-цветовую интерференцию. Использовалась визуальная версия теста Струпа, которая включает в себя 60 уровней с равной пропорцией совместимых и несовместимых стимулов. Время показа не ограничивалось, то есть стимулы были видны до момента реакции. Информация о времени реакции, полученная с этих двух тестов, использовалась как индикатор эффективности внимания. Сонливость в течение дня фиксировалась с помощью Каролинской шкалы.
Статистический анализ
Сравнение поведенческих данных проводилось в программах "GraphPad Prism" (версия 7, "La Jolla", США) и "SPSS" ("IBM SPSS Statistics", версия 24, Чикаго). После проверки на равенство средних значений с помощью критерия Левена использовались двухсторонние не спаренные t-критерии Стьюдента, U-критерии Манна-Уитни, точный критерий Фишера и линейная регрессия. Для многократных сравнений по всем p-критериям проводилась поправка уровня ложных результатов на контрольное значение. Суточные колебания активности и сонливости положены на график с помощью регрессионных кривых второго порядка. После этого они были проверены с помощью двухстороннего анализа дисперсии (ANOVA) (с целью выявления повторяющихся показателей) и многократных апостериорных сравнений. В случае, когда данные не следовали нормальному распределению, проводились непараметрические тесты.
Чтобы изучить прогностические эффекты ФК в состоянии покоя для переменных активности и дневной сонливости, во время SPSS использовалось расширение обобщённой линейной модели (генерализованные оценочные уравнения, далее - ГОУ). В ГОУ включаются повторяющиеся показатели, они вписываются в диапазон вариативности объектов исследования, также они не предполагают нормальных распределений или линейных взаимодействий. ГОУ часто используются во время исследований, в которых изучаются данные по времени суток, чтобы моделировать средний результат. Кроме того, они используются в исследованиях сна и циркадного ритма, чтобы моделировать взаимосвязь между бессоницей, депрессией и хронотипом, а также в исследованиях продолжительности сна и циркадных паттернов на фоне эпилепсии.
Во время анализа ГОУ по всем кластерам каждого участника использовались средние данные по ФК в состоянии покоя после учета Z-показателя, данные по индивидуальному времени реакции (тест психомоторной бдительности и тест Струпа), а также уровень сонливости по Каролинской шкале. Для моделирования независимого воздействия ФК в состоянии покоя на эффективность внимания использовались масштабные ГОУ на линейную реакцию с подключением функции идентификационной связи для получения масштабируемых результатов. Для моделирования воздействия ФК в состоянии покоя на сонливость использовались негативные двухсоставные (биномиальные) ГОУ с подключением функции журнала состояния связей. Структура обеих моделей предусматривала дополнение в виде идентификатора субъекта в качестве субъективной переменной, а также циркадного фенотипа (РЦФ / ПЦФ) и времени дня (8:00, 14:00 и 20:00) в качестве субъективных переменных.
Время дня вводилось как фиксированный фактор. В случае, когда условия взаимодействия не играли существенной роли, их удаляли из модели. После этого анализ повторялся. Оптимальный способ для каждой модели определялся на основе скорректированных показателей, полученных с помощью модельного критерия независимых квази-вероятностей (QICC).
Результат
Первоначально участников разделили на ранний (16 человек) и поздний (22 человека) хронотип. Для этого использовались показатели срединной точки сна в свободные дни (MSFsc), выявление которых проводилось с помощью Мюнхенской анкеты на хронотип. Разделение на РЦФ и ПЦФ было подтверждено с помощью анализа маркеров биологического циркадного ритма (DLMO) и периода пиковой утренней концентрации кортизола (отклик на момент пробуждения), а также данных о времени начала сна и пробуждения, полученных из актиграфов. Все параметры значительно разнились между группами. В группе РЦФ они проявлялись примерно на 3,5 - 4 часа раньше по сравнению с ПЦФ, в том числе MSFsc, DLMO и утренний кортизол. Эти результаты соотносились с временем засыпания и пробуждения, полученным из актиграфов.
Прочие данные актиграфов не сильно различались по группам РЦФ и ПЦФ. Поскольку все участники настоящего исследования следовали своему предпочитаемому графику на всем сроке исследования, данные результаты подтверждают, что обе группы не страдали от острой нехватки сна. Тем не менее, чтобы исключить эффект нехватки сна, был проведен дополнительный анализ, определяющий взаимодействие между эффективностью сна и ФК в состоянии покоя. Значительных корреляций выявлено не было. Данные результаты подтверждают корректность классификации на циркадные фенотипы и демонстрируют, что две рассматриваемые группы, с поведенческой и физиологической точки зрения, различны по показателям графика сна и циркадного ритма, но не в других показателях сна.
Функциональная коннективность в состоянии покоя в разных циркадных фенотипах
Полный анализ обеих групп отчетливо показал ПРМ в обеих зонах интереса. Высокий уровень ФК наблюдался между всеми основными участками ПРМ, в том числе в КЗЧ / предклинье, пКГМ, передними (с обеих сторон) и височными извилинами, а также мозжечком. С помощью гибкой факториальной модели выявлены отчетливые и значительные различия между группами циркадных фенотипов, однако существенной зависимости от времени дня не выявлено. РЦФ выделялись гораздо более высокой ФК по сравнению с ПЦФ в любое время дня (на основе данных по 15 из 18 использованых сверхпороговых кластеров, идентифицированных в обеих зонах интереса).
Во время наблюдения за зоной интереса в КЗЧ у РЦФ выявлен значительно более высокий уровень ФК между КЗЧ и предклиньем, передними извилинами (с обеих сторон), средней частью височной доли с левой стороны и поясной извилиной. Самый крупный кластер был выявлен в пКГМ, два кластера - на среднем участке лобной доли с левой стороны и в верхней части лобной доли. Во время наблюдения за зоной интереса в пКГМ аналогично выявлен более высокий уровень ФК у РЦФ: между зоной интереса и семью отдельными кластерами, в том числе внутри пКГМ, с островком (с обеих сторон), средним участком лобной доли с левой стороны, передними извилинами (с обеих сторон), верхней частью лобной доли (с левой стороны), а также со средним участком височной доли (с правой стороны).
ПЦФ обладали более высокой ФК в 3 из 18 идентифицированных кластеров (после коррекции на групповую вероятность ошибки). Во время контроля зоны интереса в пКГМ были выявлены кластеры в извилинах передней поясной коры и верхней части лобной доли (с правой стороны). Во время контроля зоны интереса в КЗЧ идентифицирован кластер в передних извилинах (с левой стороны).
Комментарий
Различные исследования показали, что всего лишь около 15% населения относится к экстремально или умеренно раннему хронотипу (отход ко сну в период с 20:30 до 23:00 и подъем в период с 04:30 до 7:00). Это означает, что большая часть населения, скорее всего, не вписывается в традиционный рабочий график и предпочитает ложиться спать и вставать позднее указанных периодов. Получается, что многие (особенно те, кого можно отнести к ПЦФ) непрерывно борются со своим внутренним циркадным фенотипом и паттерном сна, чтобы соответствовать своему социально-профессиональному ритму жизни.
В настоящем исследовании впервые показаны фундаментальные различия ФК ПРМ в мозге РЦФ и ПЦФ на протяжении стандартного рабочего времени (с 8:00 до 20:00). Независимо от времени дня РЦФ выделяются на фоне ПЦФ более высокой ФК в состоянии покоя.
Большинство участков мозга, в которых установлена более высокая ФК в состоянии покоя у РЦФ, задействованы в когнитивных и контролирующих функциях мозга. Среди них можно назвать левую и правую часть переднего островка (далее - пПО и лПО) - две важные зоны, которые также участвуют в деятельности внутримозговой сети по определению значимости воспринимаемых объектов. Ранее было выявлено, что ФК между пКГМ и пПО соотносится с предпочитаемой продолжительностью накапливаемого объема сна. С учетом данных, полученных в нашем исследовании, получается, что ФК между пКГМ и островком (в период активности) может зависеть, помимо прочего, от объема сна и циркадного фенотипа.
Поскольку коннективность между схожими участками ассоциируется либо с длительностью, либо с графиком сна, эти участки можно, в более широком смысле, считать имеющими отношение к сфере сна и подчеркивающими потенциальную значимость внутрисетевой коннективности. Более того, на основе данных о состоянии ФК в состоянии покоя в данных участках можно было прогнозировать эффективность внимания, то есть время реакции и оценочную степень сонливости. Формат проведенного исследования не позволял нам однозначным образом определить причинно-следственную связь между этими взаимодействиями, однако наши результаты позволяют предположить, что замеченная у РЦФ повышенная ФК в состоянии покоя у ПРМ (которая включает в себя достаточно отдаленные друг от друга зоны мозга) косвенно влияет на повышенную эффективность при решении задач. Также важно отметить, что текущее понимание ФК частично основано на исследованиях, во время которых с помощью прикладной МРТ изучались вопросы активации, однако взаимодействие между коннективностью и активацией нельзя называть прямым (активные исследования в этой сфере еще продолжаются).
Известно, что взаимосвязи между системами активации стволовой части мозга и вентролатеральным преоптическим ядром гипоталамуса влияют на формирование циркадного ритма и циклы сна-активности. Ранее не было примеров демонстрации того воздействия, которое базовая биологическая предрасположенность (циркадный фенотип) к конкретным паттернам сна-активности оказывает на функционирование мозга и, соответственно, особенности поведения. При этом они соотносятся с ранее сделанными наблюдениями, благодаря которым ФК ассоциируется с характерными особенностями поведения и привычной продолжительностью сна.
В связи с этим можно, в качестве альтернативного варианта, предположить, что вариативность циркадных фенотипов может зависеть и от других зон мозга, как это показано в настоящем исследовании ФК ПРМ. Выявленные различия во внутренней ФК ранее не связывались с известными функциями ПРМ. Это может оказаться интересным направлением для будущих исследований.
Значительные различия ФК между РЦФ и ПЦФ были выявлены в 18 участках мозга. В большинстве из них (83 процента) зафиксирована более высокая эффективность у РЦФ. Это позволяет предположить, что ранний цикл сна-активности можно, в целом, ассоциировать с повышенной ФК в основных узлах ПРМ. Поскольку во время сессий с пробуждением в 8:00 ПЦФ были вынуждены просыпаться раньше, они страдали от острой нехватки сна. Предполагалось, что утренняя сессия расширит разрыв между группами.
Результаты тестов на реакцию и отчеты об уровне сонливости показали наличие существенных суточных колебаний и оказались по состоянию на 8:00 заметно хуже для ПЦФ по сравнению с РЦФ. Можно предположить, что данные параметры чувствительны к нехватке сна. Вместе с тем, данные наблюдения не нашли отражения в показателях ФК, которая показывает устойчивое различие между группами в любой момент времени, но не показывает заметных суточных колебаний. Возможно, она зависит от внутренних особенностей циркадного фенотипа, а не сильной нехватки сна.
В целом, многие ПЦФ сильно страдают, когда вынуждены встраиваться в традиционный социальный ритм. Однако участники настоящего исследования смогли следовать своим привычкам на всем сроке его проведения и накапливали объем сна, сравнимый с результатами РЦФ (с точки зрения продолжительности и эффективности). Значительная разница была только в графике сна. Данное наблюдение соответствует концепции о негативных последствиях устойчивого соблюдения раннего графика для ПЦФ, даже если они пытаются компенсировать нехватку сна в нерабочие "свободные" дни.
Возможно, существует хронический эффект долгосрочного нарушения ритма, то есть многолетнего вынужденного соблюдения школьного (и, позднее, рабочего) графика, для внутренних свойств мозга, даже если есть возможность жить по своему графику в течение двух недель. Это соответствует наблюдениям, в ходе которых выявлено возникновение устойчивых когнитивных проблем после долгой посменной работы (в том числе после ее прекращения). Таким образом, данные результаты могут недооценивать различия в ФК и уровне эффективности работы, которые могут быть усилены значительными нарушениями ритма.
Техническое развитие фМРТ, предоставляющей новые возможности для сканирования и измерения функциональной архитектуры мозга, позволяет более широко исследовать воздействие сна и циркадных предпочтений на уровень активности индивида. Мы значительно продвинулись в понимании клеточных и генетических основ сна и циркадного ритма, составили характеристики для поведенческих паттернов. Однако лишь недавно появились методы, позволяющие в естественных условиях исследовать их воздействие на мозг. Эти технические достижения очень важны, особенно с учетом первостепенной значимости понимания работы мозга и общераспространенного восприятия основной цели сна как отдыха для мозга.
Использование ФК в состоянии покоя особенно интересно в данной сфере, так как свой паттерн сна и циркадный фенотип есть у каждого, и они полезны при описании процессов функционирования внутренних сетей мозга в целом, а не отдельных реакций при выполнении ограниченных задач. Если смотреть шире, использованный нами подход позволяет получить важную информацию о том, каким образом отдельные элементы образа жизни и биологические фенотипы отражаются в ПРМ. Таким образом появляются новые направления для изучения отдельных особенностей поведения.
Наш анализ выявил, что информацию об ФК ПРМ в состоянии покоя можно использовать, без дополнительных данных, в прогнозировании уровня эффективности при выполении задач и субъективной оценке степени сонливости в течение дня. То есть, можно предположить, что чем сильнее ФК в состоянии покоя между этими зонами, тем лучше результаты в задачах, требующих внимания, и тем слабее ощущается сонливость. Поскольку в нашем анализе использовались узлы ПРМ, можно сделать вывод, что функциональная целостность связей, в которых задействованы основные участки ПРМ, содействует эффективному выполнению задач на внимание, и что вызванные сбоем ритма колебания в ПРМ имеют негативные последствия (при этом не следует забывать сделанные выше оговорки в отношении причинно-следственных связей).
ПРМ имеет большое значение для функционирования сознания. В ПРМ входят когнитивные области, в деятельности которых задействована лобная кора мозга. Известно, что изменение функциональной коннективности в ПРМ зафиксировано в ряде психиатрических расстройств. Можно предположить, что нарушение целостности в этой сети связано с протеканием психологических процессов. Несмотря на то, что ослабление ФК не всегда имеет отношение к снижению эффективности при решении задач, предполагается, что ослабление связей, в которых задействованы пКГМ и КЗЧ, является основной причиной ослабления контроля за вниманием, кратковременной памятью и эмоциями.
В большинстве вышеуказанных исследований изучение коннективности и активации ПРМ привело к выявлению ослабления ФК на фоне таких расстройств как Альцгеймер, дефицит внимания с гиперактивностью и аутизм. С другой стороны, усиление ФК в зонах, связанных с субгенуальной передней поясной корой, ассоциируется с депрессией. Мы обнаружили, что РЦФ обладают повышенной ФК в состоянии покоя в большинстве значимых кластеров. Тем не менее, из трех кластеров, в которых мы выявили более высокую ФК в состоянии покоя у ПЦФ, один связан с субгенуальной передней поясной корой. Поскольку именно ПЦФ часто ассоциируются с повышенным уровнем депрессии, данный результат, возможно, открыл интересное направление будущих исследований и подчеркивает, что интерпретация усиления и ослабления ФК в состоянии покоя не всегда должна быть прямолинейной. Наше исследование увеличивает объем результатов, говорящих о последствиях нарушения ФК в состоянии покоя в ПРМ, и показывает, что вариации в циркадных ритмах и графиках сна могут улучшить понимание того, каким образом целостность ПРМ в состоянии покоя может играть важнейшую роль в достижении оптимального когнитивного функционирования (в данном случае это иллюстрируется при выполнении задач на внимание).
Ранее проводились исследования, в которых были выявлены суточные колебания ФК в сетях, задействованных в состоянии покоя. Можно предположить, что отдельные ВВС обладают разными уровнями чувствительности ко времени дня. В настоящем исследовании суточные колебания обнаружены в эффективности выполнения задач на внимание и степени сонливости. Для этого использовался гибкий факториальный дизайн исследования для обоснования его комплексной структуры. В результате мы установили, что эффект циркадного фенотипа для ФК в состоянии покоя оказался гораздо более выраженным по сравнению с эффектом времени дня. Возможно, ФК ПРМ в состоянии покоя, главным образом, чувствительна к устойчивым и сходным с характерными особенностями различиям между этими двумя группами, а не к более динамичным эффектам, сходным с временными состояниями. Это согласуется с известным фактом о том, что привычные паттерны сна связаны как с анатомическими, так и с функциональными различиями. Предположительно, долгосрочные изменения в функционировании мозга могут возникнуть в результате изменений в базовой структуре. Однако существует вероятность того, что изучение дополнительных сетей (помимо ПРМ) и использование динамической ФК позволит определить имеющие сходства с временными состояниями последствия нарушения циркадного ритма, которые могут оказаться более чувствительными ко времени дня.
Кроме того, важно отметить, что данные результаты получены в течение стандартного рабочего времени (с 8:00 до 20:00), то есть могли быть упущены те моменты времени, когда ПЦФ могли показать более высокую ФК и более хорошие результаты в задачах на внимание. Тем не менее, ПЦФ находятся под постоянным давлением и должны бороться со своими генетически заданными циркадными ритмами, чтобы встроиться в социально-рабочий график. Возможно, это вынуждает их пребывать в состоянии устойчивого хрононарушения, невзирая на то, что они имели возможность следовать своему предпочтительному графику в ходе настоящего исследования.
В настоящем исследовании есть ряд ограничений. Во-первых, чтобы анализировать поведение РЦФ и ПЦФ в течение стандартного заданного социальными рамками дня (например, с 8:00 до 20:00), структура исследования была построена на времени по часам, а не на графике тестирования, основанном на внутреннем биологическом времени. Несмотря на то, что такая структура исследования не позволяла провести разделение между эффектами сна и циркадного цикла, усиливается потребность в проведении "полевых" исследований, чтобы повысить достоверность фиксации внешних факторов, так как поведение зависит от них обоих.
Кроме того, мы исследовали только одну ВВП (ПРМ), поэтому у нас не было значительных возможностей для изучения ФК более комплексных внутренних сетей по всему объему мозга. Входящие в ПРМ участки пКГМ и КЗЧ использовались в качестве зон интереса, так как, несмотря на то, что ПРМ является когерентной сетью, каждая из входящих в нее зон также выполняет и другие функции. Поэтому они, возможно, иначе реагируют на циркадный фенотип и время дня. Поскольку из всех ВВП самое большое внимание в исследованиях уделяется ПРМ, которая играет важнейшую роль в функционировании сознания, зависит от сна и при нарушении вызывает ухудшение контроля за вниманием, существуют значительные основания для того, чтобы выбрать ее целью исследования и обеспечить создание полезной стартовой точки в сравнительно слабо исследованной сфере. Тем не менее, изучение влияния циркадного фенотипа на другие ВВП, а также на другие функции сознания (которые могут реагировать иначе), может оказаться важным следующим шагом в работе. Аналогичным образом, с учетом значительных различий в физиологии между РЦФ и ПЦФ, важным этапом также может оказаться изучение биологических и генетических механизмов, стоящих за наблюдаемыми изменениями ФК в состоянии покоя.
Большинство переменных сравнивались по группам равномерно, за исключением графика сна (время начала / завершения) и маркеров циркадных фаз. Показатели эффективности сна были сравнительно низкими и не позволяли проводить контроль воздействия на здоровье, хотя продолжительность сна соответствовала нормальному объему сна для изучаемой группы молодых индивидов. Дополнительный анализ показал отсутствие существенной корреляции между эффективностью сна и ФК в состоянии покоя. Можно предположить, что базовый эффект дефицита сна отсутствует, и обе группы не страдали от острой нехватки сна на протяжении настоящего исследования. Таким образом мы можем уверенно заявить, что наблюдали отчетливые различия между циркадными фенотипами. Необходимо отметить, что между группами было небольшое, но существенное расхождение в возрасте. Однако оно не было достаточным для того, чтобы внести вклад в различия, так как ранее проводились исследования по изучению связи между ФК ПРМ и возрастом, и они показали, что ФК устойчива с момента достижения зрелости до возраста 50-60 лет.
Заключение
Различия в уровне ФК ПРМ могут быть причиной ухудшения результатов в решении задач на внимание и повышенной сонливости, которые традиционно ассоциируются с поздним циркадным фенотипом, которому приходится подстраиваться под график дня, определяемый социальными правилами и не согласующийся с внутренним циркадным циклом.
Вкратце, мы выявили существование фундаментальных различий внутренней ФК ПРМ между РЦФ и ПЦФ во время стандартного "социального" рабочего дня. Состояние ФК ПРМ в состоянии покоя может говорить о степени контроля за вниманием и субъективном восприятии уровня сонливости, которые также зависят от времени дня. Данные наблюдения могут внести вклад в неврологический базис, который лежит в основе различий между РЦФ и ПЦФ с точки зрения эффективности и здоровья в реальном мире. Они также могут повлиять на будущие исследования.
Во-первых, индивидуальный циркадный ритм (а также привычный график и продолжительность сна), возможно, является тем фактором, который следует учитывать при использовании фМРТ во время исследований и медицинской практики. Во-вторых, наше исследование позволяет лучше понять биологическую основу индивидуальных особенностей ПРМ, которые можно связать с негативными последствиями для ПЦФ. Наконец, ПЦФ страдают во время стандартного графика дня, определяемого социальными нормами, и это может привести к снижению уровня ФК и ухудшить эффективность решения задач по утрам, усилить сонливость в течение дня. Возможно, следует лучше управлять своим временем, на индивидуальной основе, чтобы оптимизировать свою эффективность и свести к минимуму риски для здоровья.
Заявление о значимости
Несоответствие между индивидуальным биологическим ритмом и поведением (например, в результате посменного графика работы или разницы часовых поясов при путешествии) негативно влияет на функционирование мозга и здоровье. Мы обнаружили, что индивиды, предпочитающие поздний цикл сна-активности (которых часто называют совами), характеризуются пониженной функциональной коннективностью в сети пассивной работы мозга, которая задействована в активном состоянии сознания и в ряде когнитивных функций.
Важно отметить, что эти различия в состоянии покоя говорят об ухудшении результатов при решении задач на внимание (дольше время реакции) и усилении субъективно воспринимаемой сонливости. Это может говорить о существовании внутреннего неврологического механизма, который вынуждает "сов" работать менее эффективно во время стандартного рабочего дня. Во время будущих исследований следует учитывать эти различия. Принятие во внимание биологии сна / циркадного цикла может помочь в улучшении здоровья и эффективности.