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
Mange tenniskampe finder sted i varme omgivelser, når solen skinner. Tennisspillere skal derfor træne i varmen for at lære at præstere under varme forhold. Selvom de måske får rådet til at bære lyst tøj, bærer mange spillere sorte T-shirts under træning og kampe. Denne undersøgelse, der blev gennemført med unge, dygtige tennisspillere, undersøgte, om T-shirtens farve (sort eller hvid) havde nogen indflydelse på spillerne. Under to træningskampe i varmen (32 °C) målte vi luft- og T-shirt-temperaturen, hvor hårdt spillerne følte, at de arbejdede, hvor komfortable de følte sig med omgivelserne, og hvor trætte de følte sig. Resultaterne viste, at når man spiller tennis udendørs i varmen, har T-shirtens farve ingen indflydelse på fysiske faktorer som temperatur. At bære en sort T-shirt kan dog have en negativ indflydelse på mentale faktorer ved at øge atleternes følelse af at arbejde hårdt, træthed og ubehag.
…
Børn har brug for at bevæge sig. Bevægelse af kroppen kaldes også fysisk aktivitet. Fysisk aktive børn har sundere kroppe og sind. Når børn er fysisk aktive, hjælper det deres kroppe og sind med at føle sig godt tilpas. De fleste børn opfylder ikke de nationale anbefalinger for fysisk aktivitet. Skoler er et godt sted at hjælpe børn med at bevæge sig mere. En måde at gøre dette på er at give børnene mulighed for at være fysisk aktive i klasseværelset. Når børn er fysisk aktive i klasseværelset, kaldes det bevægelsesintegration. Når børn sidder for længe, kan de føle sig triste og ensomme, men når lærerne bruger bevægelsesintegration, føler børnene sig gladere og klar til at lære. I denne artikel vil vi tale om, hvorfor bevægelsesintegration er vigtigt, og hvordan det kan hjælpe børn med at klare sig bedre i skolen.
…
Cerebral synshandicap (CVI) er en synsforstyrrelse forårsaget af hjerneskade, der gør det vanskeligt at behandle information fra øjnene. Selvom deres øjne fungerer fint, har børn med CVI ofte svært ved at finde og genkende objekter, især på rodede eller travle steder. Klinikere, såsom øjenspecialister (der studerer øjne og synsfunktioner) og neuropsykologer (der studerer hjernefunktioner), arbejder på at identificere børn med CVI og støtte dem, hvis de har det. En nyttig test er en visuel søgeopgave, der viser, hvordan børn leder efter ting. Hvorfor er det svært for børn med CVI at søge? Videnskabelige forskere bruger værktøjer som øjenregistrering, der viser, hvor børn kigger hen under en søgning, og hjerneafbildning, der hjælper dem med at forstå, hvordan dele af hjernen arbejder sammen. Ved at kombinere klinisk praksis og videnskabelig forskning kan vi bedre forstå, hvordan børn med CVI oplever verden, og finde nye måder at hjælpe dem i dagligdagen.
…
Forestil dig at kunne styre dit yndlingsvideospil ved blot at tænke på det! Det lyder måske som science fiction, men denne utrolige teknologi er ved at blive en realitet takket være hjerne-computer-grænseflader (BCI’er). BCI’er muliggør kommunikation mellem hjernen og et kunstigt apparat. Forestil dig din hjerne som en kraftfuld maskine, der sender elektriske signaler, når du vil gøre noget, f.eks. styre en robotarm med tankerne, efter at du har mistet evnen til at bevæge dine hænder. BCI’er overfører hjernesignaler til en computer, som derefter lærer at forstå disse signaler og oversætte dem til instruktioner, der styrer enheden. I denne artikel udforsker vi en verden, hvor sind og maskiner interagerer, og hvor mulighederne kun er begrænset af vores fantasi.
…