BIOLÓGIAI RITMUSOK, ALVÁS, ÉBRENLÉT

Átírás

1 BIOLÓGIAI RITMUSOK, ALVÁS, ÉBRENLÉT Dr. Bódizs Róbert Semmelweis Egyetem Pázmány Péter Katolikus Egyetem Magatartástudományi Intézet Általános Pszichológia Tanszék

2 BIOLÓGIAI ÉS SZOCIÁLIS RITMUSOK: KO-REGULÁCIÓ, HARMÓNIA ÉS DISZHARMÓNIA SZOCIÁLIS RITMUSOK Évek (A.D.) Hó (Jan., Feb ) Napok (Hé., Ke ) + hetek Rátevődő aktivitásnyugalom ciklusok, szünetek, stb. Moser M et al.

3 100 µv up up ÉBRENLÉT REM S1 S2 S3 S4 ébrenlét cirkadián ritmus ultradián ritmus alvás AZ ALVÁS: EGYMÁSBA ÁGYAZOTT OSZCILLÁCIÓK SZIMFÓNIÁJA alvásidő (h) alvásciklus 1 s DOWN ciklikusan váltakozó mintázat A A A B B lassú oszcilláció alvási orsók

4 ALVÁSMÉRGEK NYOMÁBAN: AZ ŐSKOR

5 Tunis 248 órai ébrenlét után Tunis >500 órai ébrenlét után, a halál torkában Clignard 1,5 órával azután, hogy a cisterna magnajába Tunis liquor extractumából injektáltak

6 EGY ÚJABB PRÓBÁLKOZÁS James Krueger

7 A KECSKÉK LIQUORÁBÓL KIVONT S-FAKTOR HATÁSA PATKÁNYOK AKTIVITÁSÁRA

8 AZ S-FAKTOR: TALÁN INKÁBB ALVÁS-VITAMIN?

9

10 A BŐSÉG ÉS TÖKÉLETLENSÉG ZAVARA Hipnotoxinok átvitele Piéron kísérlete Néhány eredmény Muramil peptidek IL1β TNFα (Pappenheimer alvás és immunrendszer) SPS (uridin, oxidált glutation) GABA, glutamát (Inoue alvás és neuronális restauráció/detoxifikáció) Adenozin Ach (Porkka-Heiskanen, Greene - alvás és agyi energiagazdálkodás) Prosztaglandin D2 A2A Hth POA n. tuberomammilaris H (Urade) Oleamid 5HT7, anandamid (endogén kannabinoid) (Lerner) DSIP? (Schönenberger - elalvás folyamata)

11

12 A KÉT-FOLYAMAT MODELLT MEGALAPOZÓ MEGFIGYELÉSEK: a lassú hullámok kitüntetett szerepe Alvásnyomás = lassú (delta) hullámok Szignifikáns eltérések Alvásciklusonkénti EEG teljesítménysűrűség spektrumok (NREM) a 4-ik alvásciklushoz képest 40,5 órás ébrenlétet követő első és második éjszakai NREM alvás EEG a megvonás előtti éjszakához képest Borbély AA et al. Electroencephalogr Clin Neurophysiol 1981;51:483-93

13 AZ ALVÁSSZABÁLYOZÁS BORBÉLY-FÉLE KÉT-FOLYAMAT MODELLJE A homeosztatikus alvásigény az ébrenlét során egy lassan telítődőd exponenciálisan függvény szerint növekszik (S-folyamat), míg a cirkadián ritmus nap-közben gátolja, éjszaka pedig elősegíti az alvás megjelenését (C-folyamat). Az alvás a két tényező eredőjeként jön létre: a cirkadián ritmus időzíti az alvást, míg a homeosztatikus folyamat annak mélységét (intenzitását) határozza meg. Borbély AA. Hum Neurobiol 1982;1:

14 A KÉT-FOLYAMAT MODELLT ALÁTÁMASZTÓ NÉHÁNY KÍSÉRLETI EREDMÉNY Achermann P. & Borbély AA. Front Biosci 2003;8:s

15 LASSÚ HULLÁMOK ÉS ALVÁS: a két-folyamat modell pontosításai és kiegészítései Globális vs. lokális jelenségek Egységes lassú hullámú aktivitás vs. frekvencia-specifikus lassú hullám altípusok Spontán vs. reaktív lassú hullámok

16 Ifj. Obál Ferenc: James Kruegerrel már ban megalkották a lokális alvás koncepcióját Neuroncsoportok alvása Az alvás statisztikai fogalom Koordinált csoportok = az organizmus alvása

17 LEBENYEK ÉS FÉLTEKÉK: a lassú hullámú alvás egyenetlenségei Frontális dominancia és agyi érés Féltekei dilemmák: Európai és japán alanyok Achermann P. In Borbély AA et al (eds). The regulation of sleep. HFSP, Strasbourg, 2000.

18 NAPKÖZBENI SZENZOROS STIMULÁCIÓ ÉS LOKÁLIS LASSÚ HULLÁM INTENZITÁS ALVÁSBAN: nem csak az ébren töltött idő számít A stimulált karral (J) ellenoldali félteke (B) fölött alvásban erőteljesebb delta aktivitás észlelhető ( ), a stimuláció nélküli helyzethez képest ( ): 100*B/(B+J). Kattler et al. J Sleep Res 1994;3(3):

19 KÉRGI KOLUMNÁK ALVÁSA 100 ms Mikroelektródákkal mért kiváltott válaszok állapotfüggése. Az organizmus állapota néha eltérhet a kérgi kolumna állapotától.

20 MEGOLDÁS A LOKÁLIS ALVÁS REJTÉLYÉRE? SZOMNOGÉN CITOKINEK, MINT AKTIVITÁS-FÜGGŐ POSZTSZINAPTIKUS ÁGENSEK Krueger JM et al.

21 LOKÁLIS LASSÚ HULLÁM INTENZITÁS ALVÁSBAN: a tanulás függvénye Perceptuo-motoros tanulási feladat: rotációs adaptáció Az alvás előtti tanulás alvás közben lokális delta (1-4 Hz) aktivitásfokozódást váltott ki a tanulás szempontjából releváns agyterületek fölött. A teljesítményfokozódás mértéke pozitívan korrelált a delta aktivitás lokális növekedésével. Huber et al Nature 2004

22 A SZINAPTIKUS HOMEOSZTÁZIS ELMÉLETE Tononi G, Cirelli C. Sleep Med Rev 2006

23 AZ ALVÁS HOMEOSZTÁZISA ÉS A LASSÚ HULLÁMOK SZABÁLYOZÁSA: Az ébren töltött időtől, a használaton át a tanulásig

24 AZ ORSÓK ÉS A DELTA HULLÁMOK KELETKEZÉSÉNEK THALAMOCORTICALIS MODELLJE A thalamocorticalis neuronok reticularis (nucleus vagy reticularis thalami GABAerg gátló neuronjai) bemenete gátló hatást fejt ki. Ennek hatására a thalamocorticalis neuronokban hiperpolarizációs-rebound tüzelési szekvenciák alakulnak ki. A közepes szintű hiperpolarizáció esetén (a thalamocorticalis neuronok membrán potenciálja) orsózó (7-14 Hz), erőteljesebb hiperpolarizáció esetén delta (1-4 Hz) frekvenciájó oszcillációs üzemmód inicializálódik. A membránpotenciál az agytörzsi cholinerg és a corticalis inputtól függ. A delta aktivitásnak ezenkívül és ettől függetlenül kérgi eredete IS van.

25 MIRCEA STERIADE ÉS A LASSÚ HULLÁMOK A delta hullámok (0,1-4 Hz) celluláris neurofiziológiai vizsgálata A delta hullámok nem képeznek homogén entitást Az 1 Hz alatti komponens frekvenciaspecifikus és kiemelkedő jelentőségű: LASSÚ OSZCILLÁCIÓ

26 AZ ALVÁS EEG-RITMUSAI: KELETKEZÉSÜK FORGATÓKÖNYVE A LASSÚ OSZCILLÁCIÓ TÜKRÉBEN A delta és az orsó hullámok szinkronizációja a kéregben történik, a lassú oszcilláció intrakortikális konnektivitáson alapuló szinkronizációja és a leszálló corticothalamicus pályák hatása révén. Ma már tudjuk, hogy a Cx-RE leszálló pálya dominál a Cx-Th-cx fölött.

27 AZ ALVÁSNYOMÁS ÉS A LASSÚ OSZCILLÁCIÓ MORFOLÓGIÁJA A hatás valószínű oka: szinaptikus nyomás Intracorticalis összeköttetések Szinkronizációhoz szükséges idő & szinkronizációba bevonódó neuronok száma Hullám-meredekség & hullám-amplitúdó

28 INFRALASSÚ, LASSÚ ÉS DELTA AKTIVITÁS

29 CIKLIKUSAN VÁLTAKOZÓ MINTÁZAT (ULTRALASSÚ VAGY INFRALASSÚ OSZCILLÁCIÓ?) EEG KÉPE-I: NAGYTOTÁL A ciklikusan váltakozó mintázat (cyclic alternating pattern CAP) két fázisa az A és a B fázis. A fázisban ébredési reakciók (az ábrán paradox delta szinkronizáció), B fázisban pedig a megfelelő alvásstádium háttértevékenysége figyelhető meg.

30 INSTANS ALVÁSHOMEOSZTÁZIS ÉS DELTA INJEKCIÓK Állapotfüggő reaktivitás Kiváltott hiperpolarizációk Delta injekciók (az S időbeli egyenetlenségei)

31 REAKTÍV HOMEOSZTÁZIS: Változás utólagos (menet közbeni) korrekciója PREDIKTÍV HOMEOSZTÁZIS: Változás előrelátása és az arra való felkészülés, előzetes korrekció

32 PÉLDÁK JÓL ISMERT CIRKADIÁN MARKEREKRE

33 NAPSZAKFÜGGŐ INGADOZÁSOK EGYES ÉLETTANI MUTATÓKBAN: nem csak az alvás hatása

34 NAPSZAKFÜGGÉS - ÁLLAPOTFÜGGÉS NAPSZAKFÜGGŐ melatonin Kortizol magtemperatúra ÁLLAPOTFÜGGŐ Növekedési hormon Disztális testhőmérséklet Mély NREM alvás REM aránya

35 A BIOLÓGIAI ÓRA LOKALIZÁCIÓJA

36 SCN lézió cirkadián demoduláció

37 HELYI IDŐ: In vitro mper2 expresszió különböző központi idegrendszeri preparátumokban Transzkripciós-feedback modell

38 A FÉNY MELATONIN- FELSZABADULÁST GÁTLÓ HATÁSA Per1 Reppert SM, Weaver DR. Nature 2002 Macchi MM, Bruce JN. Front Neuroendocrinology 2004

39 A FÉNY, A MELATONI ÉS AZ SCN KÖLCSÖNHATÁSAI

40 SLEEP CYCLE BASICS Pace-Schott EP, Hobson JA. Nat Rev Neurosci 2002;3: EEG Hypnogram Eye movement Sleep stages Blood pressure Breaths Pulse Movements

41 A LSSÚ HULLÁMÚ TEVÉKENYSÉG, MINT A REM ALVÁS ELLENPÓLUSA: A KÖLCSÖNÖS INTERAKCIÓ HIPOTÉZISE ÉS EGY ÖKOLÓGIAI EGYENLET A REM-off és a REM-on neuronok interakciója generálja a REM alvás periódikus megjelenését és ezzel összefüggésben a lassú hullámú tevékenység acetilkolin általi gátlását ( kérgi deszinkronizáció ). a, c REM-on ill. REM-off időzítési paraméterek b, d REM-on és REM-off interakció paraméterei

42 Aminerg befolyás Kolinerg serkentés Kolinerg serkentés Ébrenlét NREM Alvás REM µv 1 s EEG EOG EMG x Noradrenerg és szerotoninerg rendszerek Kolinerg rendszer Szenzoros élmények Élénkek, külsőleg generáltak Tompák vagy hiányoznak Élénkek, belsőleg generáltak Gondolkodás Logikus, progresszív Logikus, perszeveratív Illogikus, bizarr Mozgás Folyamatos, akaratlagos Epizódikus, akaratlan Központi parancs végrehajtás

43 A KÖLCSÖNÖS INTERAKCIÓ ELMÉLETÉNEK KITERJESZTÉSE A REM-on és a REM-off rendszer kölcsönhatásának részletes szemléltetése. A gamma aminovajsav (GABA) felelős a REM-off rendszer REM alvás alatti működéskimaradásáért. A noradrenalin (NA) serkenti a szerotonin (5-HT) neuronokat. Az agytörzsi retikuláris rendszer (BRF) a locus coeruleus alphával (LCα) az itt termelődő glutamát pedig az aszpartámmal (AS) egészült ki. A GABAerg input forrásai: substantia nigra pars reticularis (SNpr), periaqueductalis szürke állomány (PAG), dorzális paragigantocelluláris nucleus (DPGi).

44 LIMITÁLT CIKLUS ÉS KÖLCSÖNÖS INTERAKCIÓK A lassú hullámú tevékenység REM-on neuronok általi periodikus gátlása Mikroperturbációk a lassú hullámú tevékenységben Cirkadián hatások a REM-hosszban Környezeti, kognitív emocionális hatások REM-off

45

46 ÉBRESZTŐ ÉS ALVÁSKELTŐ RENDSZEREK: A HYPOTHALAMUS SZEREPE Ébresztőrendszerek az agyban: TMN HIST (nucleus tuberomammilaris-hisztamin), Raphé 5- HT (szerotoninerg raphé magok), LC NA (locus coeruleus noradrenalin), PPT Ach (pedunculopontin tegmentalis nucleusacetilkolin), LDT Ach (laterodorsalis tegmentalis nucleus-acetilkolin). Alvás alatt aktív neuronok: VLPO GABA Gal (ventrolateralis preopticus areagamma aminovajsav, galanin) Az alvás alatt aktív neurális rendszer (alváskeltő struktúra) a ventrolateralis preopticus areában gátolja az agy ébresztőrendszereit.

47 AZ ÉBRENLÉT FINOMHANGOLÁSA HYPOCRETIN (OREXIN) ÉS EGYÉB NEUROTRANSZMITTEREK ÁLTAL HC hypocretin (orexin) GLU glutamát GABA gamma aminovajsav HIST hisztamin ACH acetilkolin 5-HT szerotonin NE - norepinefrin

48 AZ ALVÁSI ORSÓK - Védik az alvást - Rögzítik az emlékeket/integrálják a tudást (sémák)

49 ORSÓ-GENEZIS A thalamocorticalis rendszer működésmódja az egyes alvás-ébrenlét állapotokban: tónusos (ébrenlétben) és burst-jellegű (NREM alvásban ill. ált. anesztéziában)

50 HIERARCHIKUS FÁZIS-KAPCSOLTSÁG: ORSÓ- FODOR

51 ÖSSZEGZÉS Az alvásszabályozásban részt vevő idegrendszeri struktúrák sokfélesége Többszintű szabályozásra Képlékeny mechanizmusokra Egymást fölülíró rendszerekre Tapasztalás-függő folyamatokra enged következtetni. Az ember alvása részben ébrenlétét tükrözi.