RITMOS BIOLÓGICOS CICLO VIGÍLIA- SONO

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1 RITMOS BIOLÓGICOS CICLO VIGÍLIA- SONO

2 QUESTIONÁRIO DE CRONOBIOLOGIA Proposto por HORNE & OSTBERG (1976), adaptado por CARDINALI et al. (1992). Observações:. Não existe uma resposta considerada mais correta do que a outra, por isso você deve responder às questões com toda a honestidade. Responda a todas as questões com toda liberdade sem nenhuma restrição. 01- Se você pudesse eleger com toda a liberdade e sem nenhuma restrição relacionada ao trabalho ou outro tipo de restrição, a que horas gostaria de se levantar? R- A ( ) 05:00 às 06:00; B ( ) 06:00 às 07:30; C ( ) 07:30 às 10:00; D ( ) 10:00 às 11:00; E ( ) 11:00 às 12: Suponhamos que tenha se apresentado a um novo trabalho e que tenha que realizar uma prova psicofísica que dura algumas horas e que é mentalmente desgastante. A que horas gostaria de fazê-la? R- A ( ) 08:00 às 10:00; B ( ) 11:00 às 13:00; C ( ) 15:00 às 17:00; D ( ) 19:00 às 21: Se você pudesse planejar sua noite com toda liberdade e sem nenhuma restrição relacionada com trabalho ou outro tipo de restrição, a que horas gostaria de dormir? R- A ( ) 20:00 às 21:00; B ( ) 21:00 às 22:15; C ( ) 22:15 às 00:30; D ( ) 00:30 às 1:45; E ( ) 01:45 às 03:00.

3 04- Suponhamos que você tenha decidido fazer exercícios físicos (ou uma atividade física como caminhada, por exemplo) e um amigo lhe sugira fazê-lo entre as 07:00 e as 08:00 da manhã. Com base na sua predisposição natural, com que disposição você aceitaria o convite? R- A ( ) Estaria em muito boa forma; B ( ) Estaria em forma; C ( ) Seria difícil; D ( ) Seria muito difícil. 05- Se tivesse que realizar duas horas de exercício físico pesado, quais destes horários escolheria? R- A ( ) 08:00 às 10:00; B ( ) 11:00 às 13:00; C ( ) 15:00 às 17:00; D ( ) 19:00 às 21: Se você fosse dormir às 23:00 horas, com que nível de cansaço se sentiria? R- A ( ) Nada cansado; B ( ) Um pouco cansado; C ( ) Bastante cansado; D ( ) Muito cansado.

4 07- Você se sente cansado durante a primeira meia hora logo após levantar-se? R- A ( ) Muito cansado; B ( ) Mais ou menos Cansado: C ( ) Sem cansaço porém não em plena forma; D ( ) Em plena forma. 08- A que horas do dia se sente melhor? R- A ( ) 08:00 às 10:00; B ( ) 11:00 às 13:00; C ( ) 15:00 às 17:00; D ( ) 19:00 às 21: Suponhamos que um amigo lhe sugira fazer uma caminhada entre as 22:00 e 23:00 horas, três vezes por semana. Se não tivesse outro compromisso e com base em sua predisposição natural, como você se sentiria caso aceitasse a sugestão? R- A ( ) Estaria em boa forma; B ( ) Estaria bastante em forma; C ( ) Seria difícil; D ( ) Seria muito difícil.

5 RESULTADOS Pontuação: Some os pontos obtidos de acordo com a seguinte pontuação Número da Alternativas questão A B C D E Classificação 09 15: Definidamente matutino; 16 20: Moderadamente matutino; 21 26: Intermediário; 27 31: Moderadamente vespertino; 32 38: Definidamente vespertino.

6 Figure Oh, How I Hate to Get Out of Bed in the Morning

7 Cronobiologia é a ciência que estuda os ritmos e os fenômenos físicos e bioquímicos periódicos que ocorrem nos seres vivos.

8 RITMO: é uma variação cíclica regular na função. Ritmo Biológico Duração Exemplo Circanual Anual Ciclos migratórios das aves Infradiano Superior a um dia (+24h) Ciclo menstrual humano Circadiano Diário (~24h) Ciclo do sono Ultradiano Inferior a um dia (- 24h) Ciclo da alimentação humana

9 Alguns processos que possuem ritmos circadianos nos animais e outros eucariotos Atividade locomotora de muitos vertebrados e invertebrados Ciclo vigília-sono em distintos animais Atividade metabólica de muitos animais Alterações de temperatura (inclusive torpor) em aves e mamíferos Excreção urinária e ingestão hídrica nos mamíferos Secreção de hormônios adrenocorticais e mitose na epiderme de mamíferos Variações da coloração do tegumento de peixes e caranguejos Oviposição, acasalamento e emergência de adultos a partir das pupas nos insetos Liberação de ferormônio pelas fêmeas e sensibilidade dos machos aos ferormônios nos insetos Acasalamento no Paramecium Bioluminescência e capacidade fotossintética nas algas dinoflageladas

10 Fig Ritmo circadiano da atividade metabólica (consumo de O 2 ) e atividade motora de um tentilhão.

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12 Fig As alterações claro-escuro diárias são produzidas pela rotação da terra sobre seu eixo, na qual cada parte da terra se volta para o sol em uma parte do ciclo de rotação (período diurno) e se volta para o oposto do sol na outra parte (período noturno). As alterações sazonais na quantidade de luz do dia estão relacionadas ao movimento anual da terra ao redor do sol. Como o eixo da terra é inclinado, um pólo aponta na direção do sol durante uma parte do ano (verão) e para longe dele na outra parte do ano (inverno).

13 O movimento das folhas da azedinha é endógeno ou exógeno?

14 Experimento idealizado por de Marian em 1729

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22 QUAL A VANTAGEM DA EXISTÊNCIA DOS RELÓGIOS BIOLÓGICOS?

23 A principal vantagem adaptativa dos relógios biológicos é que eles permitem PREVISÕES: eles possibilitam aos animais a antecipação e o preparo para as alterações regulares do ambiente. Os relógios biológicos exercem um controle de ajuste por pré-alimentação ou antecipação (feedfoward) sobre os efetores.

24 Figura 17.5 Pombos-correio usam bússola solar nos dias ensolarados. Direção na qual pombos isolados desaparecem no horizonte após serem soltos em um ponto ao norte de sua morada. (a) Pombos-controle orientaram-se na direção correta do lar (sul) quando soltos em qualquer horário do dia. Eles utilizaram a posição do sol e seus relógios circadianos internos para determinar em que direção estava o sul. (b) Pombos cujos relógios circadianos tinham sido adiantados em 6 horas interpretaram erroneamente a posição do sol e partiram em um ângulo de aproximadamente 90 o à esquerda da direção correta de casa. Se fossem soltos às 9h da manhã, eles imaginariam ser 15h e seguiriam em um ângulo de 45 o à esquerda da posição solar (apropriado para as 15h).

25 Onde se localiza esse tal RELÓGIO BIOLÓGICO?

26 The Retinohypothalamic Pathway in Mammals. (A) This pathway carries information about the light-dark cycle in the environment to the SCN. For clarity of synaptic connections, the SCNs are shown proportionally larger than other features. (B) In this image, axons (seen at the bottom) are labeled green from the left eye and red from the right. Both eyes project so diffusely to the two overlying SCNs that they are outlined in yellow (Photograph courtesy of Andrew D. Huberman).

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28 Lesão no Núcleo Supra-Quiasmático: abole o ciclo vigília-sono e vários outros ritmos que apresentam um padrão circadiano

29 FIGURE 41.3 The mammalian circadian timing system consists of a hierarchy of oscillators. Oscillatory neurons in the SCN interact with each other to produce a set of coherent outputs. These outputs, which include behavioral and physiological rhythms, synchronize cell autonomous oscillations in other brain regions and in peripheral tissues. (From Reppert and Weaver, 2002).

30 Possuem um fotopigmento especial chamado de MELANOPSINA

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32 FIGURE Schematic representation of neuroanatomical outputs from the rodent SCN. Location of target structures is not accurate to scale. Abbreviations: DMH, dorsomedial hypothalamic nucleus; dspz, dorsal subparaventricular zone; LHA, lateral hypothalamic area; MPO, medial preoptic area; PVN, paraventricular nucleus of the hypothalamus; VLPO, ventrolateral preoptic area; vspz, ventral subparaventricular zone. (Adapted from Saper et al., 2005.) PVN

33 Mecanismos neurais da ritmicidade Núcleo supraquiasmático (NSQ) : Relógio biológico AFERÊNCIAS Retina (Trato retino-hipotalâmico) EFERÊNCIAS Outros núcleos do hipotálamo Tálamo O NSQ cicla mesmo quando as conexões neurais são eliminadas ou quando os seus neurônios são mantidos em cultura, apresentando um ritmo próprio. Porém, pode se sincronizar aos ritmos ambientais externos como as oscilações fotoperiódicas.

34 Glândula pineal: sintetiza e libera a melatonina GÂNGLIO CERVICAL SUPERIOR (neurônio pós-ganglionar) RETINA Trato retinohipotlamico HIPOTÁLAMO NSQ N. paraventricular MEDULA TORACICA Coluna intermédio lateral (neurônio pre-ganglionar)

35 noradrenalina acetilcolina ocitocina

36 A FIGURE (A) Schematic illustration of the neuroanatomical circuit regulating pineal melatonin secretion. Photic input detected in the retina is relayed to the suprachiasmatic nucleus (SCN), and from there to the paraventricular nucleus of the hypothalamus (PVN). A subset of PVN neurons projects to the intermediolateral cell column (IML) of the spinal cord. Preganglionic sympathetic cell bodies at thoracic levels 1 and 2 (T1 and T2) project to the superior cervical ganglion (SCG), which innervates the pineal gland. Norepinephrine released from the terminals of SCG neurons is the primary input to the pineal responsible for stimulating melatonin production at night. Light entrains the SCN clock controlling melatonin, but light at night also has an acute inhibitory effect on melatonin synthesis, by disrupting the sympathetic input to the gland. Blood melatonin levels drop within minutes after exposure to light at night. (B) Biosynthesis of melatonin from serotonin (5- hydroxytryptamine, 5-HT). The rate-limiting and highly rhythmic step is the regulation of arylalkylamine N-acetyltransferase (AANAT) activity, which modestly depletes the pineal gland of 5-HT at night as it converts 5HT to N-acetyl-serotonin (NAS). Hydroxy-indole-O-methyltransferase (HIOMT) converts NAS to melatonin (N-acetyl, 5-methoxytryptamine). There is no storage mechanism for melatonin; melatonin diffuses from the pineal into the cerebrospinal fluid and bloodstream as it is produced, making blood melatonin levels a good reflection of the sympathetic input to the gland.

37 RETINA HIPOTÁLAMO SNA simpático EPITÁLAMO NSQ N. paraventricular pré-ganglionar pós-ganglionar Gl. pineal Diminuição da luz Diminuição do efeito inibitório do NSQ Liberação do SNA simpático Indução do sono Melatonina Durante o dia, a retina estimula o NSQ, cujos neurônios são inibitórios. Como consequência, os neurônios do núcleo paraventricular deixam de estimular os neurônios pré-ganglionares simpáticos da medula e a produção de melatonina é baixa durante o dia (ou quando o fotoperíodo é longo). À noite, acontece o contrário e a concentração de melatonina aumenta. O seu aumento induz o sono.

38 Primavera/Verão Outono/Inverno Regressão Gonadal parada de postura

39 CONCENTRAÇÃO DE MELATONINA NO SANGUE EM ng/ml Idade Diurno Noturno PRÉ-PUBERDADE 21,8 97,2 ADULTA 18,2 77,2 SENIL 16,2 36,2 Concentração de melatonina no sangue nas diferentes fases da vida, em homens chineses. Observa-se importante diferença entre a produção noturna e diurna e as variações de produção noturna entre o grupo da Pré-puberdade, da fase Adulta e da Senil.

40 JET LAG: Alterações Físicas e Psicológicas que ocorrem em certas pessoas depois de longas horas de voos em viagens aéreas devido a mudança de fuso horário.

41 Órgão fotossensível Trato retinohipotalâmico Núcleosupraquiasmático (HIPOTÁLAMO) Outras áreas do SNC Órgãos efetuadores Ritmos circadianos Relógio Biológico Glândula Pineal Ritmos infradianos

42 Diagrama ilustrando a alça de retroalimentação molecular que governa relógios circadianos (segundo Okamura et al., 1999).

43 Figure Oh, How I Hate to Get Out of Bed in the Morning

44 CONTABILIZANDO O SONO O tamanho do corpo parece determinar a quantidade de sono de que as espécies necessitam. Em geral, quanto maior o animal, menos sono é requerido.

45 Os homens compartilham um único mundo, a não ser durante o sono, onde cada um habita o seu próprio. (Heráclito)

46 RITMOS CEREBRAIS O ELETROENCEFALOGRAMA

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50 50 V Figura 19.5 Um EEG normal. O sujeito está em repouso e os locais de registro estão indicados na figura à esquerda. Os primeiros segundos mostram uma atividade alfa normal, a qual tem frequência de 8 a 13 Hz e é maior nas regiões occipitais. Aproximadamente na metade do traçado do registro, o sujeito abriu seus olhos, sinalizado pelos grandes artefatos da piscadela no traçado do topo (setas) e pelos ritmos alfa estarem suprimidos.

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52 EEG de uma criança de 12 anos mostrando registro típico de uma crise de ausência.

53 SONO: Estado facilmente reversível de baixa responsividade e interação com o meio ambiente.

54 Questões sobre a biologia do sono: Por que passamos tanto tempo de nossa vida dormindo? Quais os mecanismos responsáveis por isso? O que nos faz sonhar?

55 Quatro teorias sobre porque dormimos: O sono como processo passivo; O sono como adaptação biológica; O sono como processo restaurador; O sono na consolidação e organização da memória.

56 Quatro teorias sobre porque dormimos: O sono como processo passivo; O sono como adaptação biológica; O sono como processo restaurador; O sono na consolidação e organização da memória.

57 Durante muito tempo, a explicação de senso comum para o sono era que ele seria resultado da redução da atividade encefálica produzida pela fadiga. Atualmente, sabe-se que o sono é um estado encefálico altamente organizado, induzido ativamente e com fases distintas.

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59 Quatro teorias sobre porque dormimos: O sono como processo passivo; O sono como adaptação biológica; O sono como processo restaurador; O sono na solidificação e organização da memória.

60 Fig.12-18: as teorias biológicas do sono sugerem que ele é uma estratégia de conservação de energia e também serve para outras funções, como permanecer seguro durante a noite.

61 O sono ajuda os animais a se adaptarem a um nicho ecológico. Estes morcegos dormem juntos diariamente em uma grande folha, esperando até o anoitecer, quando eles podem usar suas muitas adaptações noturnas para se alimentar. Eles mastigam uma linha ao longo da folha para que esta se dobre e possa cobri-los enquanto eles dormem.

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63 Quatro teorias sobre porque dormimos: O sono como processo passivo; O sono como adaptação biológica; O sono como processo restaurador; O sono na consolidação e organização da memória.

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65 Tony Wright quebrou o recorde mundial de privação de sono ficando acordado por mais de 11 dias (266 horas). Tony, de Penzance, uma cidade costeira no sudeste da Inglaterra, iniciou sua tentativa às 6 da manhã (horário local) no dia 14 de maio de 2007 conseguindo quebrar o record anterior de 264 horas estabelecido há 43 anos por Randy Gardner.

66 Figura 28.5 Registro EEG durante a primeira hora de sono.

67 Ondas Beta 15 a 20 Hz ~30 V Ondas teta 4 a 8 Hz 50 a 100 V Ondas teta 10 a 15 Hz 50 a 150 V Ondas delta 2 a 4 Hz 100 a 150 V Ondas delta 0,5 a 2 Hz 100 a 200 V Figura 28.5 Registro EEG durante a primeira hora de sono.

68 Sono de 8 horas: 5% estágio 1; 50% estágio 2; 16% estágios 3 e 4; 25% REM.

69 SONO REM

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71 SONO NÃO-REM: cérebro ocioso em um corpo móvel SONO REM: cérebro ativo em um corpo paralisado Recém-nascido: 8 horas Jovem: 2 horas Idoso: 45 minutos

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74 Figure Sleep Stage Postures

75 Fig : Os cavalos geralmente procuram áreas abertas e ensolaradas para dormir durante breves períodos. As fotos ilustram 3 posturas de sono. No alto, à esquerda, a égua exibe o sono NREM, com as pernas travadas e a cabeça baixa. No alto, à direita, ela exibe o sono NREM, deitada com a cabeça levantada. No quadro abaixo, ela está em sono REM, em que toda a postura e tônus muscular se perdem.

76 Atonia característica de sono REM

77 Atonia característica de sono REM

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80 Perfil do sono após 11 dias de vigília

81 POSSÍVEIS FUNÇÕES DO SONO REM E DOS SONHOS

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83 Quatro teorias sobre porque dormimos: O sono como processo passivo; O sono como adaptação biológica; O sono como processo restaurador; O sono na consolidação e organização da memória.

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85 SISTEMA ATIVADOR RETICULAR ASCENDENTE - SARA serotonina Sistema Colinérgico Núcleos pontinos látero-dorsais Tegmento pedúnculo-pontino Núcleos colinérgicos do prosencéfalo basal histamina noradrenalina Sistema Monoaminérgico

86 CIRCUITOS NEURAIS QUE REGEM O SONO SISTEMA COLINÉRGICO Alta atividade na vigília; Ausente no não-rem; Alta atividade no REM (neurônios REM-on). SISTEMA MONOAMINÉRGICO Alta atividade na vígilia; Baixa atividade no não-rem; Ausente no REM (neurônios REM-off). Hipocretinas ou orexinas (hipotálamo lateral) e dopamina (área tegmentar ventral do mesencéfalo) ativam sistema monoaminérgico e sistema colinérgico estimulam vigília.

87 histamina Serotonina Noradrenalina Núcleo pré-óptico ventrolateral (VLPO): libera os neurotransmissores GABA e galanina que irão inibir tanto o sistema colinérgico como o monoaminérgico, induzindo assim o sono não-rem. Núcleo Supraquiasmático(SCN): inibe o VLPO, estimula a liberação de hipocretinas ou orexinas que ativam os sistemas colinérgico e monoaminérgico, induzindo assim a vígília. Além de inibir a secreção de melatonina.

88 Núcleo pré-óptico ventrolateral (POVL): libera os neurotransmissores GABA e galanina que irão inibir tanto o sistema colinérgico como o monoaminérgico, induzindo assim o sono não-rem. Núcleo Supraquiasmático(NSQ): inibe o POVL, estimula a liberação de hipocretinas ou orexinas que ativam os sistemas colinérgico e monoaminérgico, induzindo assim a vigília. Além de inibir a secreção de melatonina.

89 CONTROLE HOMEOSTÁTICO DO SONO - ADENOSINA Estudos com microdiálise confirmam que o prosencéfalo basal é a região onde ocorre o maior acúmulo local de adenosina durante a vigília e privação de sono. Portanto, o prosencéfalo basal é considerado como o homeostato do sono. A ação inibitória local da adenosina ocorre em receptores para a adenosina (subtipo A2A) nas células colinérgicas do prosencéfalo basal. A redução da atividade colinérgica do prosencéfalo basal por acúmulo de adenosina desinibe o VLPO que, em conjunto com a redução da atividade do NSQ (escuro), dá início ao sono NREM. É o gatilho duplo para o início do sono

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