生理時鐘的故事:把自己關在黑暗洞穴一個月的「現代睡眠研究之父」

生理時鐘的故事:把自己關在黑暗洞穴一個月的「現代睡眠研究之父」
Photo Credit: congerdesign@Pixabay CC0
我們想讓你知道的是

關於我們人的生理時鐘的研究,起始於一位充滿好奇心的睡眠的研究者,問了一個聰明的問題,並且實際把他的想法測試在自己的身上。

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在生命演化出來前,因地球的自轉周期(大約24小時)而有的日夜變化就已經存在了,而生命的演化也自然地把這個日夜變化節律帶入生命的起源──DNA中,從簡單的細菌到複雜的靈長類,都有大約24小時節律的生理時鐘在體內調控著一切,讓我們對環境的節律性變化有更好的適應能力。

關於我們人的生理時鐘的研究,起始於一位充滿好奇心的睡眠研究者,問了一個聰明的問題,並且實際把他的想法測試在自己的身上。這位研究者叫做Nathaniel Kleitman(文章內簡稱NK),又被尊為現代睡眠研究之父。為了證明我們人身體內也有著生理時鐘,在1938年時,NK和他的研究助手花了一個月的時間,待在地底下陽光照不到的洞穴裡(Mammoth Cave),紀錄睡眠/清醒周期與體溫日夜變化周期。他的好奇心照亮了我們對人類生理時鐘的探索。

20年後,Jürgen Aschoff和Rütger Wever重現了NK經典的實驗,但是改用比較舒適的實驗室環境,而不需要求試驗者回去洞穴裡,並且記錄他們的睡眠/清醒時間、體溫、排尿的量與時間以及其他的生理指標。雖然不是地底的洞穴,這個人造的實驗室環境一樣沒有陽光的照射來重設每天的生理時鐘。在陽光照射不到的實驗室環境裡,他們的紀錄清楚指出,即使沒有陽光的變化給予時間上的暗示,睡眠/清醒周期與體溫日夜變化的節律,依舊能夠維持大約24小時的時間。不一樣的地方是,睡眠/清醒周期不再是一天中固定的時間,而是每天往後延遲一點時間(比如說,第一天早上7點自然醒;第二天是7點40分自然醒,第三天是8點20分自然醒……一天比一天晚一點)。他們的結果讓我們對人類生理時鐘有了的第一個層面上的了解:

我們人也有一個內在的生理時鐘,而且在沒有陽光重設時鐘的情況下,這個時鐘會以大於24小時的周期自行運作(free running),並且反映在許多不同的生理指標上。

除了之前文章介紹的手錶型動作感測器(activity watch),褪黑激素(melatonin)應該是許多人想到能作為對生理時鐘測量的指標之一。這個由松果腺(pineal gland)所分泌的賀爾蒙的確是非常好的選擇:唾液與血液都能夠測得到,所以樣本的採集並不會太困難。正因為小至細胞(如細胞週期),大致個體的的行為(如睡眠/清醒)都能看到生理時鐘調控的證據,除了文章說到的體溫變化、排尿量等,血糖變化、血壓變化等也都是能作為評量生理時鐘的生物指標(biomarkers)之一,視研究的問題而會有不同的選擇。

在2010年時,日本的研究團隊也發明出了用毛髮的毛囊檢驗時鐘基因活動的方法(圖1.)。他們的研究論文中顯示,從頭髮或鬍子中的毛囊所萃取出的基因活動資訊,不僅有日夜節律的變化,當受試者的睡眠/清醒周期被干擾時,毛囊的時鐘基因的節律也出現被干擾的跡象。他們的研究讓科學家們在評估人類的生理時鐘時,又多了一項非侵入式的方法。

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圖片來源:作者提供
圖1. 用毛髮的毛囊檢驗時鐘基因活動。詳細的原文可以參考Akashi et al. 2010 doi:10.1073/pnas.1003878107

問卷也是科學家採用的方法之一。許多的問卷的設計方向是評估受試對象的生理時鐘類型(chronotype),也就是之前文章介紹過的早起型的百靈鳥或是晚睡型的貓頭鷹。二分法雖然有準確度上的限制,但也有著較易理解的優勢:我們可以把這個二分法想像成彩虹光譜的兩端,有些人可能是很偏光譜尾端的紅色(極端百靈鳥)或紫色(極端貓頭鷹),但是大部人多分布在中間附近的位置。也就是說,大部人是小百靈鳥或小貓頭鷹,而且身體具有彈性調整作息的能力。最具代表性的問卷是MEQ,在1976年所發明。M是英文的早晨(Morning),而E是英文的晚上(Evening),透過問卷中的19個問題,評估受試著可能是白靈鳥或是貓頭鷹。

這樣的問卷自然有著許多的限制與容易失真的缺陷,所以陸陸續續有其他的問卷被發明出來,包括把輪值夜班的影響也納為考量之一。當社交時差的概念被發展出來後,在MCTQ的問卷中(於2003年被發表),周間(禮拜一到禮拜五)與周末(禮拜五晚上到禮拜日結束)的睡眠時間與其他作息的評量也被分了開來。很明顯的,許多人的上班與休假的睡覺、起床時間是不同的。除此之外,在周間與周末花了多少時間在戶外接受陽光的照射,也納入了這個比較新的問卷之中。

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Photo Credit:王輝斌
圖2. 二分法的生理時鐘類型。圖為簡單的卡通示意圖,對生理時鐘類型的更多介紹可以參考之前的文章
參考資料

本文經王輝斌授權刊登

責任編輯:朱家儀
核稿編輯:翁世航