De menselijke slaap komt voor met circadiane (circa = ongeveer, en dia = dag) periodiciteit, en biologen die geïnteresseerd zijn in circadiane ritmen hebben een aantal vragen over deze dagelijkse cyclus onderzocht. Wat gebeurt er bijvoorbeeld wanneer individuen niet in staat zijn de signalen waar te nemen die ze normaal hebben over dag en nacht? Deze vraag is beantwoord door vrijwilligers in een omgeving te plaatsen (grotten of bunkers zijn soms gebruikt) zonder externe signalen over tijd (figuur 28.3). Gedurende een acclimatisatieperiode van vijf dagen met sociale interacties, maaltijden op normale tijdstippen en signalen in de tijd (radio, TV), stonden de proefpersonen op en gingen slapen op de gebruikelijke tijdstippen en behielden een 24-uurs slaap-waakritme. Na het verwijderen van deze signalen werden de proefpersonen echter elke dag later wakker, en de cyclus van slapen en waken werd geleidelijk verlengd tot ongeveer 28 uur in plaats van de normale 24 uur. Toen de vrijwilligers weer in een normale omgeving werden gebracht, werd de 24-uurs cyclus snel hersteld. De mens (en vele andere dieren; zie Kader B) hebben dus een interne “klok” die blijft werken in afwezigheid van enige externe informatie over de tijd van de dag; onder deze omstandigheden wordt gezegd dat de klok “vrij loopt.”
Figuur 28.3
Ritme van wakker worden (blauwe lijnen) en slapen (rode lijnen) van een vrijwilliger in een isolatiekamer met en zonder aanwijzingen over de dag-nacht cyclus.De getallen geven het gemiddelde ± standaardafwijking weer van een volledige waak/slaap cyclus gedurende elke periode (meer…)
Kader B
Moleculaire Mechanismen van Biologische Klokken.
Vermoedelijk zijn de circadiane klokken geëvolueerd om de juiste perioden van slaap en waakzaamheid te handhaven ondanks de variabele hoeveelheid daglicht en duisternis in de verschillende seizoenen en op verschillende plaatsen op de planeet. Om de fysiologische processen te synchroniseren met de dag-nacht cyclus (foto-entrainment genoemd), moet de biologische klok dalingen in het lichtniveau waarnemen als de nacht nadert. De receptoren die deze lichtveranderingen waarnemen bevinden zich, niet verrassend, in de buitenste kernlaag van het netvlies; hoewel het verwijderen van het oog foto-entrainment opheft. De detectoren zijn echter niet de staafjes of de kegeltjes. Deze slecht begrepen cellen liggen in de ganglion- en amacrinecellagen van het netvlies van primaten en muizen, en projecteren naar de suprachiasmatische kern (SCN) van de hypothalamus, de plaats waar de circadiane controle van homeostatische functies in het algemeen plaatsvindt (figuur 28.4A). Deze eigenaardige netvliesfotoreceptoren bevatten een nieuw fotopigment, melanopsine genaamd. Misschien wel het meest overtuigende bewijs voor de rol van de SCN als een soort biologische hoofdklok is dat verwijdering ervan bij proefdieren hun circadiane slaap- en waakritme opheft. De SCN regelt ook andere functies die synchroon lopen met de slaap-waakcyclus, zoals de lichaamstemperatuur (zie figuur 28.3), de hormoonafscheiding, de urineproductie en veranderingen in de bloeddruk. De cellulaire mechanismen van circadiane controle zijn samengevat in KaderB.
Figuur 28.4
Anatomische onderbouwing van circadiane ritmen. (A) De hypothalamus, met de locatie van de suprachiasmatische kern (SCN), die bij zoogdieren de primaire “biologische klok” is. De naam “suprachiasmatisch” is afgeleid van (meer…)
Activering van de superchiasmatische kern roept reacties op in neuronen waarvan de axonen afdalen naar de preganglionische sympathische neuronen in de laterale hoorn van het ruggenmerg (Figuur 28.4B). Deze cellen moduleren op hun beurt neuronen in de superieure cervicale ganglia waarvan de postganglionaire axonen projecteren naar de pijnappelklier (pijnappel betekent in de vorm van een dennenappel) in de middellijn bij de dorsale thalamus. De pijnappelklier synthetiseert het slaapbevorderende neurohormoon melatonine (N-acetyl-5-methoxytryptamine) uit tryptofaan, en scheidt dit af in de bloedbaan om de hersenstamcircuits te helpen moduleren die uiteindelijk de slaap-waakcyclus regelen (zie blz. 615 e.v.). Bij ouderen verkalkt de pijnappelklier en wordt er minder melatonine geproduceerd, wat misschien verklaart waarom oudere mensen minder uren slapen en vaker last hebben van slapeloosheid.