Forfattere
Jordens rotation skaber en cyklus af dag og nat, som ses som ændringer i lysniveau og temperatur. I løbet af evolutionen har planter og dyr tilpasset sig disse cyklusser og udviklet daglige cyklusser af fysiske og adfærdsmæssige processer, der drives af et centralt biologisk ur, også kendt som det cirkadiske ur. Selv når der ikke er ændringer i lyset mellem dag og nat, skaber det biologiske ur cyklusser, der kaldes døgnrytmer. Nervesystemet overfører information om det eksterne lysniveau til det biologiske ur i hjernen, som tilpasser urets cyklus til det eksterne miljø. Det biologiske ur forbereder kroppen på ændringer i miljøet. Den moderne verden har skabt forstyrrelser i det cirkadiske urs timing på grund af elektrisk belysning, flyrejser til andre tidszoner og arbejde om natten. Studiet af kronobiologi undersøger mekanismerne i det biologiske ur og urets indflydelse på menneskers sundhed.
Gentagne processer, som f.eks. bølger, der bevæger sig op og ned, skaber en rytme, der er kendetegnet ved en konstant cyklus. Jordens rotation skaber fænomenet dag og nat i en 24-timers cyklus. Denne cyklus resulterer i miljøændringer i løbet af dagen, f.eks. højere lysniveauer og varmere temperaturer. Så det er ikke overraskende, at den daglige cyklus i løbet af evolutionen var en vigtig faktor, som dyr og planter tilpassede sig. Mange processer i vores kroppe udviser daglige udsving, herunder vores kropstemperatur, blodtryk og hormonniveauer. For eksempel når udskillelsen af et hormon kaldet melatonin (søvnhormonet) sit højdepunkt sent om aftenen og falder om morgenen, mens hormonet kortisol når sit højdepunkt om morgenen. Koncentrationerne af mange andre proteiner i vores kroppe viser også daglige udsving. Vi er også alle opmærksomme på daglige cyklusser i vores følelsesmæssige og adfærdsmæssige processer, såsom vores årvågenhed og vores evne til at koncentrere os eller lære, og cyklussen med vågenhed og aktivitet om dagen og søvn om natten.
Hvad driver de daglige rytmer i vores kroppe? En mulighed er, at kroppen reagerer på cykliske ændringer i miljøet. En stigning i lysniveauet ved solopgang får os til at vågne op, og mørket om natten resulterer i en stigning i melatonin, som fremmer søvnen. En anden forklaring er, at der er en intern mekanisme i kroppen, som skaber den daglige rytme uafhængigt af ændringer i miljøet. Hvordan kan vi skelne mellem disse to mekanismer? I 1962 udførte en fransk forsker ved navn Michel Siffre et eksperiment på sig selv. Han levede i 2 måneder i en hule i Alperne uden at blive udsat for dagslys, med konstant temperatur og uden at vide, om det var dag eller nat. Han boede i et telt med kunstig belysning og var forbundet med maskiner, der sporede hans kropsaktivitet. Resultaterne af eksperimentet (figur 1) viste et dagligt, cyklisk, organiseret aktivitetsmønster, hvor den væsentlige forskel var, at han hver dag vågnede cirka en halv time senere. Faktisk var længden af den “dag”, han levede efter i hulen, 24,5 t. Hovedkonklusionen var, at kroppen har et indre ur, som er uafhængigt af omgivelsernes udsving. Dette ur skaber daglige rytmer med en cyklus, der er lidt længere end 24 timer, selv i fravær af miljømæssige signaler. Under normale forhold, når vi udsættes for sollys, forkortes vores urcyklus til præcis 24 timer.
Den daglige aktivitet fra begyndelsen af eksperimentet (øverst) til slutningen (nederst). De tykke linjer symboliserer den tid, Siffre sov. De første 10 dage (1-10) og de sidste 10 dage (35-45) blev tilbragt under naturlige forhold uden for hulen, og derfor var hans aktivitet synkroniseret med et 24-timers ur. Mens han var i hulen, afspejlede hans aktivitet døgnets cyklus, som er omkring 24,5 timer, hvilket er grunden til, at man kan se, at hans sovetid skifter til højre.
Sifrres eksperiment gav ham øgenavnet “hulemanden” og fik meget omtale. Men forskere, der udførte lignende eksperimenter på dyr og planter, kendte allerede til eksistensen af et biologisk ur og kaldte det circadian clock På græsk betyder “circa” “omkring”, og “diem” betyder “dag”. Det cirkadiske ur findes hos næsten alle dyr på jorden – hos pattedyr, insekter, planter, svampe og endda bakterier. Urets cyklus er forskellig hos forskellige væsner og endda blandt individer fra samme art og kan være kortere eller længere end 24 timer.
Evnen til at skabe daglige rytmer findes i forskellige celler, væv og organer i kroppen. Disse ure, kaldet perifere ure er lydige over for det centrale ur, som er placeret i bunden af hjernen i et område kaldet suprachiasmatic nucleus (SCN). Denne lille region er på størrelse med et riskorn og indeholder ca. 20.000 nerveceller. I forsøg med mus, hvor SCN er fjernet kirurgisk, er musenes adfærd helt normal, bortset fra at de mister evnen til at holde deres daglige rytme under konstante forhold.
Vi antager, at det cirkadiske ur findes i så mange væsner, fordi det giver en eller anden fordel for disse arters overlevelse. For at forstå, hvad denne evolutionære fordel er, blev der udført eksperimenter på dyr med defekte døgnure, både i laboratoriet og i det naturlige miljø. Under lys-mørke-forhold i laboratoriet vil dyr uden døgnur stadig udvise daglige rytmer. Under laboratorieforhold, hvor der ikke er fare for at dø af rovdyr, har bananfluer med defekte biologiske ure f.eks. samme levetid som fluer med intakte ure.
Fordelen ved det cirkadiske ur bliver tydelig, når man undersøger dyr under naturlige forhold i konkurrence med deres egen art. For eksempel viste et eksperiment med jordegern, at hvis SCN blev fjernet kirurgisk, faldt disse gnaveres overlevelse i skoven, da deres aktivitetsmønstre var uregelmæssige, og rovdyr havde lettere ved at finde dem [1]. Et andet eksperiment blev udført med en blanding af to forskellige bakteriearter, den ene med en kort daglig cyklus (23 timer) og den anden med en lang cyklus (30 timer), der blev udsat for korte og lange dage [2]. Resultaterne viste, at den ene art skubbede den anden til side. Den “vindende” art var den, hvis døgnrytme passede bedst til dagens længde, så arten med den lange cyklus overtog kulturen under langdagsforhold, mens arten med den korte cyklus overtog den kultur, der blev dyrket under kortdagsforhold. Disse og andre undersøgelser viser, at det cirkadiske ur gør det muligt for kroppen at handle i harmoni med det ydre miljø.
Det første gen for det cirkadiske ur blev opdaget i 1971 gennem forskning i en lille flue ved navn Drosophila, som ofte bruges af genetiske forskere [3]. Forskerne gav fluerne et kemikalie, der beskadigede generne i deres DNA. Derefter observerede de fluernes daglige aktivitet og ledte efter dem, hvis cykliske aktivitet var forstyrret. De fandt hurtigt en flue, hvis søvn- og vågenhedsrytme ændrede sig hver dag. Denne flue havde mistet sin døgnrytme på grund af et beskadiget gen, som fik navnet period (forkortet per). Per er et gen, der findes hos alle dyr, også mennesker. Senere opdagede man ur-genet (forkortet Clk) hos mus. Med tiden blev der opdaget flere gener, der er involveret i det cirkadiske ur.
Generne i dyr er forskellige fra dem i planter eller svampe, men funktionsprincippet er det samme og er et eksempel på en negativ feedback-loop. I dette loop (figur 2) stimulerer CLK-proteinet produktionen af PER-proteinet. Når PER-proteinet når et højt niveau, forsinker det produktionen af CLK-proteinet. Denne forsinkelse resulterer i en gradvis reduktion af PER-proteinet. Forholdet mellem disse to proteiner fører til deres daglige udsving: Når PER er højt, er CLK lavt og omvendt. Disse resultater indbragte tre amerikanske forskere Nobelprisen i fysiologi eller medicin i 2017 for deres studier med Drosophila.
Aktivatorproteiner (f.eks. CLK) i cellekernen øger produktionen af urproteiner, som er hæmmende (f.eks. PER). De hæmmende proteiner bevæger sig tilbage til kernen, hvor de hæmmer aktivatorproteinerne og sænker deres egen produktion. Når niveauet af de hæmmende proteiner falder, stopper hæmningen, og en ny cyklus genoptages. Dette er et eksempel på en negativ feedback-loop.
Som Siffre opdagede i sit huleforsøg, fungerer det cirkadiske ur selv uden eksponering for cyklusser af lys og mørke, selvom de daglige cyklusser er længere end 24 timer. I et naturligt miljø er naturligt lys et signal, der synkroniserer os til et 24-timers ur. Yderligere tidsangivelser omfatter temperatur og sociale tidsangivelser, såsom måltider, arbejdstider og studietider. Men lys anses for at være den stærkeste tidsangivelse, der påvirker det cirkadiske ur.
Hvordan sker dette? I øjets nethinde findes der tre typer molekyler, som omdanner lysenergi til elektrisk aktivitet, der sendes til hjernen. To typer receptorer, stave og tappe, bruges til at se med. En tredje, mindre kendt gruppe af receptorer kaldes intrinsisk lysfølsomme retinale ganglionceller (ipRGC’er ). Disse receptorer leverer information til de nerveceller, der forbinder nethinden med SCN. For to årtier siden fandt forskere ud af, at ipRGC’erne indeholder et lysfølsomt pigment kaldet melanopsin, og de fandt ud af, hvordan melanopsin hjælper med at synkronisere døgnrytmen med det ydre miljø [4].
Kort før identifikationen af melanopsin opdagede forskere, at de lysdetekterende molekyler, der påvirker det cirkadiske ur, er følsomme over for blåt lys, som er lys med en bølgelængde på 460 nanometer. Denne opdagelse har stor betydning for den moderne verden, fordi vi i dag ikke kun udsættes for sollys, men også for elektroniske lyskilder, som vi bruger længe efter solnedgang. LED-pærer og apparater som fjernsyn, computere og smartphones producerer alle blåt lys og påvirker derfor vores døgnrytme.
Der er andre måder, hvorpå det moderne liv gør det sværere for vores døgnrytme at synkronisere med omgivelserne. Et almindeligt eksempel er at flyve til fjerne lande, hvor det cirkadiske ur skal forsinkes eller fremrykkes med et par timer for at blive synkroniseret. Denne proces kan tage et par dage, og det opleves som en ubehagelig fornemmelse, der kaldes jetlag. Jetlag kan forårsages ved at forskyde lyscyklussen med blot nogle få timer (figur 3). Undersøgelser viser, at mennesker, der ofte oplever jetlag, har større risiko for at få kræft og andre kroniske sygdomme. Højere niveauer af visse sygdomme/lidelser ses også hos mennesker, der arbejder om natten, og som i realiteten oplever et langvarigt socialt jetlag. For at reducere de helbredsskader, der kan opstå som følge af disse forstyrrelser af døgnrytmen, anbefales det, at vi udsættes for dagslys så meget som muligt, og at vi undgår lyset fra vores skærme om natten.
Et eksempel på aktiviteten hos en hamster (natdyr). Den grå baggrund symboliserer timer med mørke, og den gule baggrund symboliserer timer med lys. Efter 8 dage (øverst) slukkes lyset 6 timer tidligere (angivet med pilen). Hamsteren har brug for 1 uge til at synkronisere sig med den nye rytme. Forskydningen på 6 timer i lys-mørke-cyklussen svarer til det jetlag, man oplever, når man flyver østpå, f.eks. fra Israel til Japan, hvor det er tidligere sengetid.
Døgnuret er opbygget af gener og nerveceller, som gør det muligt for os at være i fuldstændig overensstemmelse med de daglige svingninger i miljøet. Udsættelse for kunstigt lys gør det sværere for det cirkadiske ur at synkronisere med omgivelserne, hvilket kan føre til helbredsproblemer. Videnskaben om kronobiologi (forskning i biologiske ure ) fokuserer på at forstå det cirkadiske urs mekanismer og forskellene i urene mellem mennesker. Denne viden vil hjælpe forskere med at udvikle personlig medicin i fremtiden, som vil tage højde for hver enkelt af os unikke kropsrytmer.
Døgnrytmeur: Et biologisk system, der genererer rytmiske ændringer i fysiologiske og adfærdsmæssige funktioner, som gentager sig selv hvert døgn. Systemet er baseret på et netværk af proteiner, der interagerer med hinanden i en celle, samt interaktion mellem forskellige celler. Det centrale ur befinder sig i den suprachiasmatiske kerne i hjernen. Eksempler på døgnrytmer, der reguleres af uret, er søvn/vågen-cyklus, kropstemperatur og melatoninudskillelse. Døgnrytmen styres af miljøet ved hjælp af 24 timers ændringer i lyseksponeringen.
Perifere ure: Disse ure findes i celler, væv og organer i hele kroppen. De modtager information fra det centrale ur i hjernen og fra andre interne og eksterne kilder. For eksempel er måltider signaler til perifere ure i leveren, nyrerne og bugspytkirtlen. Forholdet mellem centrale og perifere ure er som forholdet mellem en dirigent og musikerne i et orkester.
Suprakiasmatisk kerne (SCN): En lille hjernestruktur, der består af omkring 20.000 nerveceller og fungerer som det centrale ur. SCN ligger i hypothalamus, over det område, hvor synsnerverne fra øjnene krydser hinanden.
Negativ feedback-loop: En proces, der bremser sig selv. Termostaten er et eksempel på negativ feedback; når temperaturen stiger til en bestemt værdi, slukker termostaten for varmen. Når temperaturen falder, starter opvarmningen igen. Denne proces skaber opadgående og nedadgående temperatursvingninger.
Synkronisere: Justering af to bølger til hinanden, så toppe og bunde falder sammen eller er til stede ved en fast tidsforskel (synkronisering er kun mulig mellem bølger, der har samme cykluslængde).
Intrinsisk fotosensitive retinale ganglieceller (ipRGC): En type nerveceller i nethinden hos pattedyr, som indeholder lysreceptorer, der ikke deltager i synsprocessen, men snarere i synkroniseringen af det cirkadiske ur til lys fra omgivelserne.
Kronobiologi: Den videnskabelige disciplin, der studerer biologiske tidssystemer og deres indvirkning på sundhed og funktion.
[1] DeCoursey, P. J., Walker, J. K., og Smith, S. A. 2000. En døgnrytmepacemaker hos fritlevende jordegern: afgørende for overlevelse? J. Comp. Physiol. A 186:169-80. doi: 10.1007/s003590050017
[2] Ouyang, Y., Andersson, C. R., Kondo, T., Golden, S. S. og Johnson, C. H. 1998. Resonerende cirkadiske ure forbedrer fitness i cyanobakterier. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 95:8660-4. doi: 10.1073/pnas.95.15.8660
[3] Konopka, R., og Benzer, S. 1971. Urmutanter af Drosophila melanogaster. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 68:2112-6. doi: 10.1073/pnas.68.9.2112
[4] Gooley, J. J., Lu, J., Chou, T. C., Scammell, T. E. og Saper, C. B. 2001. Melanopsin i celler med oprindelse i den retinohypothalamiske kanal. Nat. Neurosci. 4:1165. doi: 10.1038/nn768
Mennesker har lavet musik i titusinder af år. Men hvad sker der i din hjerne, når du lytter til dit yndlingsband eller din yndlingsmusiker? I denne artikel følger du lydens rejse fra ørerne til hjernen, hvor forskellige områder arbejder sammen, mens du lytter til musik. Musik involverer mange hjernefunktioner, såsom lydbehandling, hukommelse, følelser og bevægelse. Du vil også opdage, at hjernen kan lære at genkende velkendte mønstre i musik, hvilket kan hjælpe med at forklare, hvorfor musik kan gøre os glade, triste eller endda ophidsede. Til sidst vil du udforske, hvad der sker i musikeres hjerner, når de spiller på deres instrumenter.
…
Kunstig intelligens (AI) systemer bliver ofte rost for deres imponerende præstationer inden for en lang række opgaver. Men mange af disse succeser skjuler et fælles problem: AI tager ofte genveje. I stedet for virkelig at lære, hvordan man udfører en opgave, bemærker den måske bare enkle mønstre i de eksempler, den har fået. For eksempel kan en AI, der er trænet til at genkende dyr på fotos, stole på baggrunden i stedet for selve dyret. Nogle gange kan disse genveje føre til alvorlige fejl, såsom en diagnose fr , der er baseret på hospitalsmærker i stedet for patientdata. Disse fejl opstår selv i avancerede systemer, der er trænet på millioner af eksempler. At forstå, hvordan og hvorfor AI tager genveje, kan hjælpe forskere med at designe bedre træningsmetoder og undgå skjulte fejl. For at gøre AI mere sikker og pålidelig skal vi hjælpe den med at udvikle en reel forståelse af opgaven – ikke bare gætte ud fra mønstre, der har fungeret tidligere.
…
Er du nogensinde faldet og slået hovedet, mens du legede? Følte du dig lidt svimmel og havde ondt i hovedet? Hvis ja, kan du have fået en hjernerystelse! Hjernerystelser kan ske hvor som helst. De kan ske under sport, når du leger med dine venner eller endda når du cykler med dine forældre. Det kan være svært at vide, om du har fået en hjernerystelse. Mange børn og forældre er ikke sikre på, hvad de skal gøre, hvis nogen får en hjernerystelse. Læger og forskere ved, at det hjælper dig med at komme dig hurtigere, hvis du gør det rigtige efter en hjernerystelse. Denne artikel forklarer, hvad en hjernerystelse er. Den hjælper dig med at se, om du eller en ven har fået en hjernerystelse, og fortæller dig, hvad du skal gøre, hvis du nogensinde får en hjernerystelse.
…
Hjertet er en meget vigtig muskel, der arbejder uafbrudt for at pumpe blod og levere vigtige næringsstoffer og ilt til alle dele af kroppen. Denne artikel ser på, hvordan hjertet fungerer normalt, og hvad der sker, når det fungerer unormalt, som det er tilfældet med en tilstand kaldet atrieflimren (AF). AF er en almindelig tilstand, der opstår, når hjertet slår uregelmæssigt og ude af takt. AF kan øge en persons risiko for at udvikle alvorlige problemer som hjertesvigt eller slagtilfælde. Denne artikel ser også på, hvordan AF kan diagnosticeres, hvad der forårsager AF, og de forskellige måder, det kan behandles på.
…