私たちの体内時計が視覚に与える影響

光が目に当たると、周りの世界を色や詳細で見るのに役立つんだ。光は体にも他の影響を与えて、睡眠と覚醒のサイクルを整えたり、どれくらい目が冴えているか、疲れているかに影響を与える。

これらのことをするために、目にはいくつかの異なる経路があるんだ。これらの経路は、大きく分けて画像を見せるのを助けるものと、体内時計に影響を与えるものの2つに分けられる。目からの信号は、光に敏感な細胞「光受容体」と呼ばれる3種類の細胞から来るんだ：杆状体、錐状体、そして特別な細胞「メラノプシンを含む内因性光感受性網膜神経節細胞（ipRGCs）」。

杆状体と錐状体は画像を形成するのに役立つ。杆状体は光に対して敏感で、薄暗いところでも見るのを助け、錐状体は色を見ることができて明るい光の中で最もよく働く。色に応じるさまざまな種類の錐状体があるんだ。光がこれらの細胞に当たると、信号に変換される。そして、その信号は「網膜神経節細胞」という他の細胞に送られ、最終的に脳へと届いて、私たちが見るものを解釈するんだ。

画像を形成する最初のステップは光受容体で起こる。でも、信号が脳に届く前に、網膜内の接続によって混ざってしまう。明るさを知覚する方法は、2種類の錐状体からの信号に基づいている。一方、色は赤と緑のための1つのチャネル、黄色と青のためのもう1つのチャネルを使って知覚される。

もう1つの経路は、画像に関係ないタスクを担当していて、メラノプシンを含むipRGCsから入力を受け取る。この経路は、私たちの睡眠パターンを調整するのを助ける。「視交叉上核（SCN）」という脳の一部が重要な役割を果たし、網膜からの信号を使って体内時計を外部環境と同期させる。このつながりは、体と心が昼夜のサイクルに適応するのにとても重要なんだ。

日中、私たちの光に対する反応は、いつその光にさらされるかによって変わることがある。例えば、朝の光は目を覚ますのに役立つけど、夕方の光は眠気を引き起こすことがある。この感受性の変化の理由、つまり網膜やSCNの変化によるものかはまだ完全には理解されていない。研究によると、私たちの瞳孔は日中の異なる時間に光に対して異なる反応を示していて、これらの違いの一部は少なくとも網膜自体から来ていることを示している。

基本的な視覚能力がどのように日中変化するかを調べた研究はあまりない。一部は、異なる照明条件下で私たちがどのように明るさや色を知覚するかを探っているし、他の研究は目の内部の圧力や外層の厚みが日中どのように変わるかに焦点を当てていて、これが目の機能に影響を与えるかもしれない。

これらの研究結果は混在していて、眼や体の変化を私たちの体内時計だけに結びつけることはできないことを示唆している。この研究は、網膜のさまざまな機能が私たちの体内時計に基づいてどう変わるかを理解することを目的としている。

#サーカディアンとホメオスタティックプロセスを解きほぐす

私たちの体内の時計と行動との関係は、内部時計の具体的な影響を研究するのを難しくしている。明確な結果を得るには、研究者は長期間にわたって組織的な研究を行う必要があることがある。人間の活動や感情、健康は、私たちの内部のサーカディアンリズムと、睡眠の必要性を高めるバランスという2つの主なプロセスによって影響を受けている。

通常の状況では、これらの2つのシステムが協力して睡眠パターンを管理し、規則正しい睡眠と覚醒の時間を確保する。最初のプロセスは「プロセスS」と呼ばれ、覚醒時に徐々に増加する。目が冴えている時間が長ければ長いほど、眠くなりたいという欲求が強くなって、私たちがどのように感じ、機能するかに影響を与える。睡眠中は、この睡眠圧が減少して、次のサイクルの前に体が回復できるようになる。

一方、「プロセスC」は私たちの体内時計で、さまざまな機能を調整し、いつ眠くなるかに影響を与える。全てがうまく調和していると、私たちの睡眠サイクルは内部時計と外部の信号（光など）に合致する。

研究者たちは、睡眠スケジュールや光、温度、食事の摂取などの要因を調整することで、これらの影響を分けられる。多くの研究では、サーカディアン信号とホメオスタティック影響を注意深く追跡しながら、何度も測定を行うことが一般的だ。

#超短睡眠-覚醒強制非同期プロトコル

この研究では、参加者が短い睡眠と覚醒を交互に行う「40時間強制非同期プロトコル」という特別なアプローチを使用します。この方法は、明暗のサイクルで合計3時間45分の睡眠を含む。睡眠圧を低く保つことで、サーカディアン効果を睡眠圧に関連するものから分離する特定の条件を作り出します。

以前の研究では、同様の方法が効果的に使用されており、覚醒と睡眠の時間を特定の比率でスケジュールします。参加者は、薄い光の中で150分間目を覚まし、その後暗い中で75分間眠ることを繰り返します。こうすることで、目や体が時間と共にどのように光や他の測定に反応するかの情報を集めることができます。

この期間中、参加者は管理された条件下で40時間ラボに滞在し、おおよそ1.5つのサーカディアンサイクルをカバーします。彼らは、2時間30分の覚醒時間と1時間15分の睡眠の厳格なスケジュールに従います。覚醒中には、視覚情報の処理能力や気分など、さまざまな身体的および精神的なパラメータを測定します。

さらに、体温、心拍数、他の生理的マーカーを追跡して、光にさらされるタイミングや睡眠時にこれらの要因がどのように変わるかを見ていきます。この研究は、目の光に対する感受性や視覚情報の処理方法が私たちのサーカディアンリズムにどのように影響されるかを探ることが目指されています。

私たちの研究は、瞳孔の光に対する反応がさまざまな条件でどのように変わるか、さまざまな光受容体の影響を分離して特定の仮説をテストすることを目的としています。瞳孔が異なる光刺激にどのように反応するかについて、4つの主要な仮説に焦点を当てます。

異なるタイプの光を見たときに感受性がどのように変わるかを評価するために、視力と色の知覚に関するテストを行います。また、杆状体、錐状体、メラノプシンなどのさまざまな光受容体の活性化に対する瞳孔の反応も評価します。

#研究の潜在的な影響

私たちの目標は、体内時計が光受容体の感受性やその後のプロセスにどのように影響するかを特徴付けることです。サーカディアンリズムと視覚機能の関係を研究することで、昼間の視覚パフォーマンスがどのように変化するかを理解できるかもしれません。

この研究の結果は、特に良好な視力が必要な仕事（パイロットや医療スタッフなど）を行う専門家にとって、実世界の応用があるかもしれません。さらに、これらの変化を理解することで、緑内障などの眼疾患の管理に役立つ可能性もあります。

#研究サンプル

#サンプルの特徴

この研究では、18歳から35歳の健康な参加者を12名募集します。男性と女性の参加者のバランスを目指しています。参加するには、眼の病気や精神的な問題がなく、正常な睡眠パターンを持っていて、色覚に問題がないことが条件です。

リクルートには、フライヤー、オンライン広告、口コミなどのさまざまな方法を使用します。興味のある人は、まずオンラインのスクリーニングアンケートに回答します。条件を満たせば、健康と研究への適格性を確認するための詳細な対面スクリーニングに招待されます。

#参加者への報酬

参加者は研究に参加した時間に対して報酬を受け取ります。夜のラボセッション2回それぞれに€30、ラボでの適応夜にはさらに€20を受け取ります。主要な40時間セッションには€400が支払われます。参加者はいつでも研究から撤退でき、ガイドラインに従わなければ除外されることがあります。また、録音デバイスを返却した場合にも報酬が受け取れるほか、データを完全に提供することでボーナスも得られます。

#サンプルサイズ

この研究は個人内デザインに基づいて行います。各参加者が複数の測定を提供し、リソースの制約によりサンプルは最大12人に制限されます。仮説を支持するための十分な証拠が収集されるまで研究は継続します。

#研究デザイン

これは参加者内研究で、各参加者が同じ実験プロトコルを受けることになります。参加者は一度に1人ずつ招待され、安定化期間、2回の夜間ラボセッション、主要な強制非同期プロトコルを経ます。

一貫性を保つために、テストの順序は全参加者で同じで、条件も均一にします。各測定ブロックには、疲労を防ぎ、正確な結果を確保するために複数のテストが含まれます。参加者は、最大3週間にわたってデータを提供し、長期的なデータを蓄積します。

#研究の期間とタイムライン

各参加者は、3週間にわたって研究に参加し、連続的な測定とラボでのスクリーニング、さらに2回の実験セッションを実施します。オンラインスクリーニングを完了後、適格のある人は詳細な対面チェックに招待されます。

この期間中、参加者は厳格なスケジュールに従い、通常の睡眠と覚醒時間を維持します。スクリーニングの後、実験セッションを開始する前に、1週間のサーカディアンリズム安定化期間を設けます。

#タイムラインの概要

参加者は、最初の適応セッションでラボに一晩泊まり、光曝露に対する反応をモニタリングします。その後、主要な強制非同期セッションを開始する前に追加の制御措置のために2回目のラボ訪問を行います。この40時間の期間中、参加者は超短い睡眠-覚醒リズムとさまざまなテストを体験します。

#実験手続き

全参加者は、強制非同期セッションの前にオンラインおよび対面スクリーニングを受けます。オンラインスクリーニングでは、年齢、健康、ライフスタイルの習慣について質問します。基準を満たした方は、身体的健康や視力を評価するための対面スクリーニングに参加します。

#アルコールと薬物の遵守

最初の実験セッションの前に、参加者はアルコールや薬物を摂取していないかを確認するテストを受けます。陽性反応があった場合は、即座に研究から除外されます。

#サーカディアンシステムに対するプロトコルの影響

研究中の光曝露が参加者のサーカディアンシステムに影響を与える可能性があります。これを理解するために、これらの影響を測定する制御セッションが行われます。各参加者は、光曝露がサーカディアンリズムに与える影響を比較するためのテストを受けます。

#サーカディアン安定化と遵守

強制非同期セッションを開始する前に、参加者は2週間の安定化期間を経ます。厳格な睡眠時間と食事時間を守って、体内時計を調整します。

参加者は、ラボ訪問の1週間前にカフェイン、薬物、アルコール、昼寝を控える必要があります。彼らは睡眠日記をつけて、パターンを追跡し、スケジュールに従っているかを確認します。

#代謝プロセスへの影響

研究中、参加者の代謝活動を連続グルコース監視システムを使ってモニターします。これにより、食物摂取や睡眠パターンに対して彼らの体がどのように反応するかを理解する助けになります。

#光受容体メカニズムの瞳孔測定評価

私たちは、瞳孔が光にどのように反応するかを測定するために特別なセットアップを使用します。このシステムは、さまざまな光受容体を刺激するために異なる種類の光を提示し、他の反応を制限します。求めている結果は、瞳孔がさまざまなタイプや組み合わせの光にどのように収縮するかです。

#実験手続き

各測定ブロック中、参加者は異なる刺激を受ける前に背景光に適応します。各セッションでは、さまざまな光条件で複数の試行を行い、瞳孔への影響を包括的に理解します。

#光受容体メカニズムの心理物理的評価

瞳孔測定に加えて、視覚感受性を評価するためのテストを実施します。この研究の一部では、参加者が異なる照明条件下でコントラストをどれだけ識別できるか、またそれがサーカディアンリズムにどのように影響を受けるかを測定します。

#ポスト受容体の時間的コントラスト感度

参加者は、提示されたコントラストに基づいて視覚刺激を識別するタスクに取り組みます。この評価は、さまざまな周波数で実施され、日中に彼らの視覚能力がどのように変化するかを確認します。

#サーカディアンフェーズの測定

強制非同期プロトコルの影響をチェックするために、参加者の体温とメラトニンレベルを測定します。このデータは、彼らのサーカディアンプロセスのタイミングと、テスト中のパフォーマンスとの関連を理解するのに役立ちます。

#テレメトリック体温

参加者は、体温を追跡する小さなピルを飲みます。これにより、40時間のプロトコル中の体温の変化を正確に測定でき、サーカディアンフェーズを理解するのに必要なデータを収集します。

#唾液ホルモン濃度

メラトニンやコルチゾールなど、睡眠やストレスに影響を与えるホルモンを測定するために唾液サンプルも収集します。これらのサンプルは、実験中のホルモンレベルの変化を判断するために分析されます。

#ホメオスタティックプロセス

ホメオスタティックプロセスの状態を把握するために、主観的な眠気、温度勾配、心血管反応、警戒心を評価します。

#主観的な眠気

参加者は各測定ブロックで眠気レベルを評価し、研究中の自分の感覚を定量化します。

#遠位-近位温度勾配

皮膚温度をモニターして体温の変化を評価し、研究において眠気のレベルに関連するかもしれないことを調査します。

#心血管および呼吸のモニタリング

セッション中に血圧と心拍変動を測定する装置を使用し、参加者の全体的な生理状態に関するデータを提供します。

#警戒心と注意力

参加者は、自分の警戒心のレベルを測定するために視覚テストを受けます。これにより、サーカディアンリズムが認知パフォーマンスや反応時間に与える影響を理解できます。

#眼の構造と機能

研究を通して、目の健康や構造に関するさまざまな側面を調べます。参加者は、研究の結果に影響を与えないよう、標準的な眼科検査を受けることになります。

#眼底および前眼部の写真

私たちは、目の前面と背面の画像を撮影して、研究中に発生する可能性のある構造の変化をキャッチします。

#OCT測定

光干渉断層計を使用して、目の内部構造の詳細な画像を取得し、厚さや他の重要な特徴を評価します。

#眼内圧

眼内の圧力を測定して、研究結果に影響を与える可能性のある変化をチェックします。

#主観的な幸福感

実験セッション中、参加者の感情状態や全体的な幸福感をモニタリングします。彼らは休憩を取る機会が与えられ、その間の食事習慣を管理します。

#統計分析

私たちは体温データに基づいてサーカディアン周期を推定し、さまざまな統計モデルを使用して分析します。これにより、サーカディアン効果に関する仮説を確認または否定することができます。

#確認分析

瞳孔反応やコントラスト感度に関連する仮説を探るために、2つの主なタイプのモデルをテストし、収集したデータの強さを検証します。

#探索的分析

追加の分析では、異なる条件や要因が参加者の視覚パフォーマンスや生理的測定に与える影響を調べ、主要な発見から生じる潜在的な関係を探ります。

#倫理的承認

この研究は医療倫理委員会によって承認されており、人間の参加者に関する研究の倫理基準に適合するよう全ての手続きが整っています。

#プロトコルの強みと弱み

私たちの方法論は、サーカディアンの変動が網膜メカニズムにどのように影響するかを捉えるために設計されており、ホメオスタティックな要因の影響を最小限に抑えています。限界や管理された環境が、研究結果の実際の条件への転移性を制限するかもしれませんが、これらの措置によって研究中の変数を正確に制御することが可能になります。

#限界の明確化

私たちのテストに使用される特定の光刺激は、すべての個人に対して有効とは限らないため、軽微な誤りを引き起こす可能性があります。参加者が実験中に人工的な環境にいることを認識しており、自然条件に比べて行動に影響を与えるかもしれません。

#サンプルの考慮

12人の参加者は、研究の目的に対して適切なサイズだと思っています。性別の均等な代表性を目指しており、結果におけるホルモンの変動を考慮しています。

#結論

私たちは、サーカディアンリズムと視覚パフォーマンスへの影響を明らかにすることを目指しており、理解を深めるために透明性を持って発見を共有することにコミットしています。学術コミュニティと関わることで、私たちの発見を明確にし、実用的な応用の示唆を共有できればと思います。