Come i nostri orologi biologici influenzano la visione

Quando la luce colpisce i nostri occhi, ci aiuta a vedere il mondo attorno a noi a colori e nei dettagli. La luce influisce anche sul nostro corpo in altri modi, come aiutare a regolare i nostri cicli sonno-veglia e a influenzare quanto siamo svegli o stanchi.

Per fare tutte queste cose, i nostri occhi hanno percorsi diversi. Questi percorsi possono essere divisi in due tipi principali: quelli che ci aiutano a vedere immagini e altri che influenzano l'orologio interno del nostro corpo. I segnali dai nostri occhi provengono da tre tipi principali di cellule sensibili alla luce chiamate Fotorecettori: bastoncelli, coni e cellule speciali chiamate cellule gangliari retiniche intrinsecamente fotosensibili contenenti melanopsina (ipRGC).

I bastoncelli e i coni aiutano a formare le immagini. I bastoncelli sono più sensibili alla luce e ci aiutano a vedere in condizioni di scarsa illuminazione, mentre i coni ci permettono di vedere i colori e funzionano meglio in condizioni di luce intensa. Ci sono diversi tipi di coni che rispondono a colori diversi. Quando la luce colpisce queste cellule, le converte in segnali. Questi segnali vengono inviati ad altre cellule chiamate cellule gangliari retiniche e poi al cervello, dove interpretiamo ciò che vediamo.

Il primo passo nella formazione delle immagini avviene nei fotorecettori. Tuttavia, prima che i segnali raggiungano il cervello, vengono mescolati a causa delle connessioni nella retina. Il modo in cui percepiamo la luminosità si basa sui segnali provenienti da due tipi di coni. Nel frattempo, il colore viene percepito utilizzando due canali: uno per il rosso e il verde, che deriva dal confronto di due tipi di coni, e uno per il giallo e il blu, che scaturisce dalla risposta di un altro cono e dalla combinazione dei due.

L'altro percorso, responsabile delle attività non visive, riceve input dagli ipRGC che contengono melanopsina. Questo percorso aiuta a controllare i nostri schemi di sonno. Il nucleo soprachiasmatico (SCN), una parte dell'ipotalamo, gioca un ruolo chiave sincronizzando il nostro orologio interno con l'ambiente esterno usando segnali dalla retina. Questa connessione è cruciale per aiutare il nostro corpo e la nostra mente ad adattarsi al ciclo giorno-notte.

Durante il giorno, la nostra risposta alla luce può cambiare a seconda di quando siamo esposti ad essa. Ad esempio, la luce al mattino può aiutarci a svegliarci, mentre la luce alla sera può farci sentire sonnolenti. Le ragioni esatte dietro questo cambiamento di sensibilità, che sia dovuto a cambiamenti nella retina o nel SCN, non sono ancora del tutto comprese. La ricerca ha mostrato che le nostre pupille rispondono alla luce in modo diverso a seconda del momento della giornata, indicando che almeno alcune di queste differenze provengono dalla retina stessa.

Pochi studi hanno esaminato come le capacità visive di base cambiano nel corso della giornata. Alcuni hanno esplorato come percepiamo la luminosità e il colore in diverse condizioni di illuminazione. Altri si sono concentrati su come la pressione dentro l'occhio e lo spessore dello strato esterno dell'occhio possano cambiare nel corso della giornata, il che potrebbe influenzare il funzionamento dei nostri occhi.

I risultati di questi studi sono misti, suggerendo che i cambiamenti nei nostri occhi e nel nostro corpo non possono essere collegati solo al nostro orologio interno. Questo studio mira a capire come varie funzioni della retina variano in base al nostro orologio biologico.

#Disentangling Circadian and Homeostatic Processes

La relazione tra l'orologio del nostro corpo e il nostro comportamento rende complicato studiare gli effetti specifici del nostro orologio interno. Per ottenere risultati chiari, i ricercatori devono condurre studi organizzati su lunghi periodi, a volte della durata di settimane. L'attività umana, i sentimenti e la salute sono influenzati da due processi principali: il nostro ritmo circadiano interno e un equilibrio che accumula il bisogno di sonno.

In una situazione normale, questi due sistemi lavorano insieme per gestire i nostri schemi di sonno e garantire che abbiamo orari regolari per dormire e svegliarci. Il primo processo, chiamato "Processo S", aumenta gradualmente quando siamo svegli. Più a lungo restiamo svegli, più forte diventa l'urgenza di dormire, il che influisce su come ci sentiamo e funzioniamo in vari modi. Quando dormiamo, questa pressione per dormire diminuisce, permettendo al nostro corpo di recuperare prima del ciclo successivo.

Nel frattempo, il "Processo C" è il nostro orologio interno, che regola diverse funzioni e influisce su quando ci sentiamo sonnolenti. Quando tutto funziona insieme, il nostro ciclo del sonno corrisponde al nostro orologio interno e ai segnali esterni come la luce.

In ambienti controllati, i ricercatori possono separare questi effetti regolando gli orari del sonno e altri fattori come luce, temperatura e assunzione di cibo. Molti studi coinvolgono ripetute misurazioni mentre si tengono tracce sia dei segnali circadiani che delle influenze omeostatiche.

#Ultra-Short Sleep-Wake Forced-Desynchrony Protocol

In questo studio, utilizzeremo un approccio speciale chiamato protocollo di forzata desincronizzazione di 40 ore, dove i partecipanti alternano tra brevi periodi di sonno e veglia. Questo metodo totalizza 3 ore e 45 minuti in un ciclo di luce-buio. Mantenendo bassa la pressione del sonno, creiamo condizioni specifiche che ci aiutano a isolare gli effetti circadiani da quelli legati alla pressione del sonno.

In ricerche precedenti, è stato utilizzato un metodo simile in modo efficace, programmando i tempi di veglia e sonno in un rapporto specifico. I partecipanti trascorreranno 150 minuti svegli in luce soffusa e poi 75 minuti dormendo al buio, ripetendo questo per 40 ore. Questa configurazione ci consente di raccogliere informazioni su come i loro occhi e corpi rispondono alla luce e ad altre misurazioni nel tempo.

Durante questo periodo, i partecipanti rimarranno in laboratorio in condizioni controllate per 40 ore, coprendo circa 1,5 cicli circadiani. Seguiranno un programma rigoroso di 2 ore e 30 minuti di tempo sveglio e 1 ora e 15 minuti di sonno. Durante la veglia, misureremo vari parametri fisici e mentali come quanto bene elaborano le informazioni visive e il loro umore.

Inoltre, monitoreremo la loro temperatura corporea, la frequenza cardiaca e altri indicatori fisiologici per vedere come questi fattori cambiano in base a quando sono esposti alla luce e a quando dormono. Questo studio mira a scoprire quanto bene la sensibilità degli occhi alla luce e il modo in cui elaboriamo le informazioni visive siano influenzati dal nostro ritmo circadiano.

La nostra ricerca mira a testare ipotesi specifiche su come la risposta della pupilla alla luce varia in diverse condizioni, isolando gli effetti di vari fotorecettori. Ci concentreremo su quattro ipotesi principali riguardo a come la pupilla risponde ai diversi tipi di stimolazione luminosa.

Per valutare come la nostra sensibilità cambia quando vediamo diversi tipi di luce, condurremo test sull'acuità visiva e sulla percezione dei colori. Valuteremo anche come la nostra pupilla reagisce alle attivazioni di vari fotorecettori, come bastoncelli, coni e melanopsina.

#Prospective Impact of the Study

Il nostro obiettivo è caratterizzare come l'orologio interno del corpo influenza la sensibilità dei fotorecettori e i processi che seguono. Studiare queste relazioni tra i nostri Ritmi Circadiani e le funzioni visive può aiutarci a capire come le performance visive possano variare durante il giorno.

I risultati di questa ricerca potrebbero avere applicazioni nel mondo reale, specialmente per professionisti le cui professioni dipendono da una buona visione, come piloti e personale medico, che spesso affrontano interruzioni nel sonno e nei ritmi circadiani. Inoltre, comprendere questi cambiamenti potrebbe aiutare nella gestione di condizioni oculari come il glaucoma.

#Study Sample

#Sample Characteristics

In questo studio, recluteremo dodici partecipanti sani di età compresa tra 18 e 35 anni, puntando a un equilibrio tra partecipanti maschi e femmine. Per partecipare, devono essere privi di malattie oculari o condizioni psichiatriche, avere schemi di sonno normali e nessun problema di visione dei colori.

Il reclutamento utilizzerà diversi metodi, tra cui volantini, annunci online e passaparola. Gli interessati completeranno prima un questionario di screening online. Se qualificati, saranno invitati per uno screening più dettagliato di persona per verificare la loro salute e idoneità allo studio.

#Participant Remuneration

I partecipanti verranno pagati per il loro tempo nello studio. Riceveranno €30 per ciascuna delle due sessioni serali in laboratorio e ulteriori €20 per la notte di adattamento trascorsa in laboratorio. Per la principale sessione di 40 ore, i partecipanti saranno compensati con €400. Possono ritirarsi dallo studio in qualsiasi momento o possono essere esclusi se non seguono le linee guida. I partecipanti riceveranno anche un pagamento per il ritorno dei dispositivi di registrazione e possono guadagnare bonus per la fornitura di dati completi.

#Sample Size

Lo studio seguirà un design intra-soggettivo. Ogni partecipante fornirà più misurazioni, con un massimo di dodici partecipanti a causa di limitazioni di risorse. Lo studio continuerà fino a quando non raccoglieremo prove sufficienti per supportare le nostre ipotesi riguardo a come i ritmi circadiani influenzano le risposte delle pupille.

#Study Design

Questo è uno studio intra-soggettivo, il che significa che ogni partecipante seguirà lo stesso protocollo sperimentale. Saranno invitati uno alla volta e attraverseranno diverse fasi, tra cui un periodo di stabilizzazione, due sessioni serali in laboratorio e il principale protocollo di forzata desincronizzazione.

Per mantenere la coerenza, l'ordine dei test sarà lo stesso per tutti i partecipanti e le condizioni saranno bilanciate. Ciascun blocco di misurazione includerà diversi test per prevenire la fatica e garantire risultati accurati. I partecipanti forniranno dati su un'ampia gamma di periodi, contribuendo a dati longitudinali che si estendono fino a tre settimane.

#Study Duration & Timeline

Ogni partecipante parteciperà allo studio per tre settimane, comprese misurazioni continue e uno screening in laboratorio, più due sessioni sperimentali. Dopo aver completato lo screening online, gli individui idonei saranno invitati a un controllo approfondito di persona.

Durante questo periodo, manterranno un programma rigoroso, seguendo i loro soliti orari di sonno e veglia. Dopo lo screening, trascorreranno una settimana stabilizzando il loro ritmo circadiano prima di iniziare le sessioni sperimentali.

#Timeline Overview

I partecipanti trascorreranno un'intera notte in laboratorio per la loro prima sessione di adattamento, durante la quale verranno monitorate le loro risposte all'esposizione alla luce. Successivamente, subiranno una seconda visita in laboratorio per ulteriori misure di controllo prima di iniziare la sessione principale di forzata desincronizzazione. Durante questo periodo di 40 ore, i partecipanti vivranno un ritmo sonno-veglia ultra-breve e diversi test.

#Experimental Procedure

Tutti i partecipanti seguiranno screening online e di persona prima della sessione di forzata desincronizzazione. Lo screening online chiederà informazioni su età, salute e abitudini di vita. Coloro che passano parteciperanno a screening di persona per valutare la loro salute fisica e acuità visiva.

#Alcohol and Drug Compliance

Prima della prima sessione sperimentale, i partecipanti saranno sottoposti a test per garantire che non abbiano consumato alcol o droghe. Qualsiasi test positivo porterà all'immediata esclusione dallo studio.

#Effects of the Protocol on the Circadian System

L'esposizione alla luce durante lo studio potrebbe influenzare i sistemi circadiani dei partecipanti. Per comprendere meglio questo, ci saranno sessioni di controllo per misurare questi effetti. Ogni partecipante sarà sottoposto a test per confrontare gli effetti dell'esposizione alla luce sui loro ritmi circadiani.

#Circadian Stabilization and Compliance

Prima di iniziare la sessione di forzata desincronizzazione, i partecipanti seguiranno un periodo di stabilizzazione di due settimane. Dovranno rispettare orari rigorosi per il sonno e i pasti per aiutare a regolare il loro orologio interno.

I partecipanti dovranno anche astenersi da caffeina, droghe, alcol e sonnellini nella settimana che precede le loro visite in laboratorio. Terranno un diario del sonno per monitorare i loro schemi e assicurarsi di rispettare il programma.

#Influence on Metabolic Processes

Monitoreremo l'attività metabolica dei partecipanti usando un sistema di monitoraggio continuo della glucosio. Questo ci aiuterà a capire come i loro corpi reagiscono all'assunzione di cibo e ai modelli di sonno durante lo studio.

#Pupillometric Assessment of Photoreceptor Mechanisms

Utilizzeremo un'impostazione speciale per misurare come le pupille rispondono alla luce. Il sistema presenterà diversi tipi di luce per stimolare vari fotorecettori limitando altre risposte. L'esito che stiamo cercando è come le pupille si restringono in risposta a diversi tipi e combinazioni di luce.

#Experimental Procedure

Durante ciascun blocco di misurazione, i partecipanti si adatteranno a una luce di sfondo prima di essere testati con vari stimoli. Ciascuna sessione comporterà più prove con diverse condizioni luminose per garantire una comprensione completa degli effetti sulle pupille.

#Psychophysical Assessment of Photoreceptor Mechanisms

Oltre alla pupillometria, condurremo test per valutare la sensibilità visiva. Questa parte dello studio misurerà quanto bene i partecipanti possono distinguere i contrasti in diverse condizioni di illuminazione e come ciò potrebbe essere influenzato dai loro ritmi circadiani.

#Post-Receptoral Temporal Contrast Sensitivity

I partecipanti parteciperanno a compiti in cui dovranno identificare stimoli visivi sulla base del Contrasto presentato. Questa valutazione sarà effettuata a diverse frequenze per vedere come cambia la loro capacità di vedere nel corso della giornata.

#Circadian Phase Measurements

Per controllare l'impatto del protocollo di forzata desincronizzazione, misureremo la temperatura corporea centrale e i livelli di Melatonina dei partecipanti. Questi dati ci aiuteranno a capire il timing dei loro processi circadiani e come si relazionano con le performance durante i test.

#Telemetric Core Body Temperature

I partecipanti ingoieranno una piccola pillola che traccia la loro temperatura corporea, inviando dati durante tutto lo studio. Questo ci aiuterà a raccogliere misurazioni precise su come la loro temperatura cambia durante il protocollo di 40 ore, il che è cruciale per comprendere le fasi circadiane.

#Salivary Hormone Concentrations

Raccoglieremo anche campioni di saliva per misurare la melatonina e il cortisolo, ormoni che influenzano sonno e stress. Questi campioni saranno analizzati per determinare come i livelli ormonali cambiano durante l'esperimento.

#Homeostatic Processes

Per catturare lo stato dei processi omeostatici, valuteremo la sonnolenza soggettiva, i gradienti di temperatura, la risposta cardiovascolare e la vigilanza.

#Subjective Sleepiness

I partecipanti valuteranno i loro livelli di sonnolenza in ogni blocco di misurazione, il che aiuterà a quantificare come si sentono durante lo studio.

#Distal-Proximal Temperature Gradient

Moniteremo la temperatura della pelle per valutare i cambiamenti nella temperatura corporea, poiché la ricerca suggerisce che possa essere correlata ai livelli di sonnolenza.

#Cardiovascular and Respiratory Monitoring

Utilizzeremo dispositivi per misurare la pressione sanguigna e la variabilità della frequenza cardiaca durante le sessioni, fornendo dati importanti sullo stato fisiologico complessivo dei partecipanti.

#Alertness and Vigilance

I partecipanti completeranno un test visivo per misurare i loro livelli di vigilanza. Questo ci aiuterà a capire come i loro ritmi circadiani influenzano le performance cognitive e i tempi di risposta.

#Ocular Structure and Function

Durante lo studio, esamineremo vari aspetti della salute e della struttura oculare. I partecipanti subiranno test standard per garantire che la salute dei loro occhi non sia un fattore nei risultati dello studio.

#Photography of Fundus and Anterior Segment

Scattiamo immagini della parte anteriore e posteriore dell'occhio per catturare eventuali variazioni strutturali che potrebbero verificarsi durante lo studio.

#OCT Measurements

Utilizzando la tomografia a coerenza ottica, raccoglieremo immagini dettagliate delle strutture interne dell'occhio, permettendoci di valutare lo spessore e altre caratteristiche importanti.

#Intra-Ocular Pressure

Misureremo la pressione all'interno degli occhi per verificare eventuali cambiamenti che potrebbero influenzare i risultati dello studio.

#Subjective Well-Being

Durante le sessioni sperimentali, monitoreremo gli stati emotivi e il benessere generale dei partecipanti. Verrà data loro l'opportunità di fare pause e gestire il loro tempo mentre tengono traccia delle loro abitudini alimentari.

#Statistical Analysis

Stimiamo il periodo circadiano basato sui nostri dati di temperatura e lo analizziamo utilizzando una serie di modelli statistici. Questo ci aiuterà a confermare o smentire le nostre ipotesi riguardo gli effetti circadiani.

#Confirmatory Analysis

Testiamo due principali tipi di modelli per esplorare le nostre ipotesi relative alla risposta della pupilla e alla sensibilità al contrasto, esaminando la forza dei dati raccolti.

#Exploratory Analysis

Analisi aggiuntive esploreranno gli effetti di diverse condizioni e fattori sulle performance visive e le misurazioni fisiologiche dei partecipanti, permettendoci di esplorare potenziali relazioni che emergono dai risultati principali.

#Ethical Approval

Lo studio è stato approvato da un comitato etico medico, assicurando che tutte le procedure siano in linea con gli standard etici per la ricerca che coinvolge partecipanti umani.

#Strengths and Weaknesses of the Protocol

La nostra metodologia è progettata per catturare come le variazioni circadiane influenzano i meccanismi retinici, minimizzando l'influenza dei fattori omeostatici. Le limitazioni e l'ambiente controllato potrebbero limitare quanto bene i risultati si traducano in condizioni reali, ma queste misure permettono un controllo preciso delle variabili studiate.

#Articulating Limitations

I particolari stimoli luminosi utilizzati per i nostri test potrebbero non essere validi per tutti gli individui, il che può portare a lievi imprecisioni. Riconosciamo che i partecipanti saranno in un ambiente artificiale durante l'esperimento, il che potrebbe influenzare il comportamento rispetto a condizioni naturali.

#Sample Considerations

Con dodici partecipanti, riteniamo che questa sia una dimensione adeguata per gli obiettivi dello studio. Puntiamo a una rappresentazione equilibrata dei generi per tenere conto di potenziali variazioni ormonali nei risultati.

#Conclusion

Siamo impegnati a condividere i nostri risultati in modo trasparente per promuovere una maggiore comprensione dei ritmi circadiani e dei loro effetti sulla performance visiva. Interagendo con la comunità accademica, speriamo di chiarire i nostri risultati e condividere le implicazioni per applicazioni nel mondo reale.