2 Circadian Rhythms_Sleep_2015_1

download 2 Circadian Rhythms_Sleep_2015_1

of 64

Transcript of 2 Circadian Rhythms_Sleep_2015_1

  • 8/17/2019 2 Circadian Rhythms_Sleep_2015_1

    1/64

    College PsychobiologieCircadiaan Ritme, Slaap en Waakritme

    18 Mei 2015

    Fernando Lopes da Silva

  • 8/17/2019 2 Circadian Rhythms_Sleep_2015_1

    2/64

    Wat is de biologische endogene klok?

    Hoe kan slaap gedefinieerd worden?

    Welke zijn de controle systemen van slaap?

    Wat is de evidentie dat slaap onder homeostatische controle staat?

    Welke zijn de functies van slaap?

    Wat zijn de gevolgen van slaapdeprivatie?

    Kan slapen het geheugen verbeteren?

     Algemeen: Handboeken:

    -Breedlove, S. Marc and Watson, Neil V., Biological Psychology. An Introduction to Behavioral,Cognitive and Clinical Neuroscience. 7th Edition; Sinauer Ass, Inc. Publishers, Sunderland,

    Massachusetts, 2013.Chapter 13: Homeostasis: active regulation of the internal environment, and

    Chapter 14: Biological Rhythms, Sleep, and Dreaming,

    - Purves, Dale et al. Neuroscience, 5th Edition.2012, Chapter 28: Sleep and Wakefulness.

  • 8/17/2019 2 Circadian Rhythms_Sleep_2015_1

    3/64

    Circadiaan ritmiek: 24-uurs ritme

    Een circadiaan ritme is een biologisch ritme waarvan de cyclus

    ongeveer één dag duurt (Latijn: circa = ongeveer, dies = dag).

    Een actieve periode wisselt af met een inactieve, of minder actieve,periode: 

    Dagdieren vertonen de meeste activiteit tijdens de lichtperiode.

    Nachtdieren zijn meest actief tijdens het donker ( b.v. rat, muis, hamster)

    Opname van voedsel en water vertoont een circadiane ritmiek dievergelijkbaar is met de ritmiciteit in activiteit;

    Seizoenfactoren kunnen de ritmiciteit beïnvloeden ivm beschikbaarheid van

    voedsel, veranderingen in temperatuur en daglengte.

  • 8/17/2019 2 Circadian Rhythms_Sleep_2015_1

    4/64

  • 8/17/2019 2 Circadian Rhythms_Sleep_2015_1

    5/64

    Figure 14.4 The Retinohypothalamic Pathway in Mammals

  • 8/17/2019 2 Circadian Rhythms_Sleep_2015_1

    6/64

    Figure 14.3 Brain Transplants Prove That the SCN Contains a Clock

    In the first part the hamster’s

    activity pattern is entrained with

    light.

     After the SCN lesion the activity

    pattern becomes random.

     After transplantation of a SCN ofa fetal donor hamster and

    placed in continuous light

    environment the hamster shows

    a “free-running” activity pattern,

    with a periodicity equal to that of

    the donor’s.In this case this donor carried a

    mutation of the tau gene that

    affects the duration of the

    endogenous period.

  • 8/17/2019 2 Circadian Rhythms_Sleep_2015_1

    7/64

    Doelstellingen College Slaap-waakritme

    11 Vragen - Formuleer gepast antwoorden op de volgende vragen:

    1. Hoe kan worden aangetoond dat de SCN is de generator van de circadiaan ritmiek?

    2. Welke zijn de belangrijkste functies van de Nucleus Supra-Chiasmaticus?

    3. Welke Hormoon wordt sterk verhoogd tijdens slaap?

    4. Wat zijn de belangrijkste verschillen tussen SWS en REM-slaap?

    5. Op welke leeftijd is de % van REM-slaap het hoogste?

    6. Welke systemen in de hersenen vormen de kern van de neurale circuits van slaapregulatie

    7. Hoe kan verminderde spiertonus in REM-slaap optreden?

    8. Welk bewijs toont dat slaap is onder homeostatische controle?

    9. Wat zijn slaapregulerende fysiologische variabelen?

    10. Wat beïnvloedt prestaties het meest: een nacht van slaaptekort of een bloed-alcohool concentratie (BAC) van0.08%?

    11. Hoe kan aangetoond worden dat slaap het geheugen beïnvloedt?

  • 8/17/2019 2 Circadian Rhythms_Sleep_2015_1

    8/64

    SCN, Retino-hypothalamic-tact, Pineal gland and Melatonin

    In mammals the SCN receives light information through the Retino-

    Hypothalamic-Tract (RHT) and regulates pineal Melatonin synthesis. The

    secretion of Melatonin (the so-called “hormone of darkness”) is restricted to

    the night period and it inhibits night-time activity of the SCN.

    Bell-Pedersen et al Circadian rhythms from multiple oscillators: lessons from diverse organisms. Nature Reviews

    Drug Discovery 2005.

  • 8/17/2019 2 Circadian Rhythms_Sleep_2015_1

    9/64

    Figure 28.5 Photoreceptors responsible for signaling circadian light changes

    Circuit between the Retinal Ganglion Cells (Melanopsin) -

    Hypothalamic ParaVenricular Nucleus (PVN) –- Sympathetic neurons in the lateral horns of the spinal cord

     –

    - Superior Cervical ganglia – Postganglionic axons project toPineal Gland

  • 8/17/2019 2 Circadian Rhythms_Sleep_2015_1

    10/64

    Figure 14.6 A Molecular Clock in Flies and Mice

    This is a simplified

    view of the essential

    step relating the RGC

    activity to gene

    transcription in theSCN molecular clock.

    Several tissues have a

    similar molecular

    machinery but only the

    SCN clock van be

    entrained by light.

    Cycle in Drosophila= Bmal1 in mammals

  • 8/17/2019 2 Circadian Rhythms_Sleep_2015_1

    11/64

  • 8/17/2019 2 Circadian Rhythms_Sleep_2015_1

    12/64

    Tjeerd.O.Scheper, Don Klinkenberg, Cyriel Pennartz,

    Jaap. van Pelt, Model of Molecular CircadianPacemaker, J.Neurosci 1999.

    r- production rate

    q- degradation rate

    Per & Cry

    Clock &

    Bmal1 or Cycle

    The frequency and shape of Action potentials of

    SCN neurons differs between day and night. The

    low firing rate neurons that dominate at night have

    larger amplitude than high firing rate (day) neurons

    indicating higher ion channel density during the

    night.

     Atkinson et al . Cyclic AMP signaling control

    of action potential firing rate and molecular

    circadian pacemaking in the SCN. Journal

    Biological Rhythms,2011.

    It appears that SCN neurons via VIP/cAMP

    modulate neuronal firing but the precisemechanism is not yet well known.

     Achtergrond

    informatie

    Time delay

  • 8/17/2019 2 Circadian Rhythms_Sleep_2015_1

    13/64

    How is the activity of the SCN molecular circadian clock transferred to

    Behavior?

    Campos et al Efferent projections of the SCN based on the

    distribution of VIP and AVP immunoreactive fibers in thehypothalamus of Spajus apella, J Chem Neuroanatomy 2014

     AHA – Anterior Hypothalamic Area

    MPOA – Medial Pre-Optic Area

    PVN – Paraventricular Nucleus

    VMH – VentroMedial HypothalamusDMH – DorsoMedial Hypothalamus

    SON – Supraoptic Nucleus

    SCN has 3 main general

    functions:

    1. Pacemaker behavior: generating

    autonomous circadian oscillations

    even in the absence of external

    agents: “clock in dish.

    2. To Synchronize to light/dark cyclus;

    3. To convey time clues to the rest of thebody.

    In this way the SCN can realize

    the following functions:

    - Triggering hormone secretion;

    - Controlling body temperature;

    - Controlling hunger and satiety;

    - Controlling wake-sleep cycles.

    Hypothalamic targets:

  • 8/17/2019 2 Circadian Rhythms_Sleep_2015_1

    14/64

    Synchronization of circadian timekeeping across the body

    The primary SCN

    pacemaker, entrained to

    solar time by retinal

    afferents, synchronizes

    tissue-based clocks in the

    major organ systems by a

    blend of Endocrine 

    (ACTH, Gonadotrophins,

    Metabolic hormones), Autonomic 

    (parasympathetic and

    sympathetic nerve fibers)

    and Behavioral (feeding-

    related) cues, but with a

    time delay of about 4 -

    12hours.

    Rhythmic Glucocorticoid

    signaling is a prominent

    mediator of SCN output

    and acts as synchronizer

    of important vital

    physiological processes

    such as cell division andnutrient metabolism.

    Hastings, O’Neill and Maywood. Circadian clocks: regulators of endocrine and metabolicrhythms. J. of Endocrinology, 2007.

    Hierarchical Model where

    the SCN occupies the

    leading role in the

    organism

  • 8/17/2019 2 Circadian Rhythms_Sleep_2015_1

    15/64

  • 8/17/2019 2 Circadian Rhythms_Sleep_2015_1

    16/64

    Wat is de biologische endogene klok?

    Hoe kan slaap gedefinieerd worden?

    Welke zijn de controle systemen van slaap?

    Wat is de evidentie dat slaap onder homeostatische controle staat?

    Welke zijn de functies van slaap?

    Wat zijn de gevolgen van slaapdeprivatie?

    Kan slapen het geheugen verbeteren?

    D fi i i l

  • 8/17/2019 2 Circadian Rhythms_Sleep_2015_1

    17/64

      Definitie van slaap

    Een typisch voorbeeeld van een circadiaan ritme is de slaap-

    waakritme.

    Hoe kan slaap gedefinieerd worden?

    Slaap is een periodiek terugkerend periode vanogenschijnlijke inactiviteit met omkeerbaar bewustzijnverlies

    en met veranderingen in de autonome functies en de

    spiertonus.

    Slaap –Waak Ritme gaat gepaard met oscillaties in Temperatuur, in

    Groeihormoon, in Cortisol niveaus en in het Electroencephalogram(EEG) 

    Fi 28 2 Ci di h th it f b d t t d th h & ti l l l

  • 8/17/2019 2 Circadian Rhythms_Sleep_2015_1

    18/64

    Figure 28.2 Circadian rhythmcity of core body temperature and growth hormone & cortisol levels

  • 8/17/2019 2 Circadian Rhythms_Sleep_2015_1

    19/64

  • 8/17/2019 2 Circadian Rhythms_Sleep_2015_1

    20/64

    Fi 14 10 El t h i l i l C l t f Sl d W ki

  • 8/17/2019 2 Circadian Rhythms_Sleep_2015_1

    21/64

    Figure 14.10 Electrophysiological Correlates of Sleep and Waking

     Amzica, F- Science 2010

    Leresche et al Eur J Physiol. 2012

    SWS- Slow-Wave Sleep;

    REM – Rapid Eye movements sleep;

    K-complexes

  • 8/17/2019 2 Circadian Rhythms_Sleep_2015_1

    22/64

    Figure 14 11 Sleep Stage Postures

  • 8/17/2019 2 Circadian Rhythms_Sleep_2015_1

    23/64

    Figure 14.11 Sleep Stage Postures

    Typical posture of

    Slow-Wave Sleep

    (SWS)

    Typical posture of

    REM sleep

    Figure 14 12 A Typical Night of Sleep in a Young Adult

  • 8/17/2019 2 Circadian Rhythms_Sleep_2015_1

    24/64

    Figure 14.12 A Typical Night of Sleep in a Young Adult

    Young adult

    Elderly

  • 8/17/2019 2 Circadian Rhythms_Sleep_2015_1

    25/64

    “Slow Wave”(Delta) Slaap (SWS)

    Algemene karakteristieken van SWS [of NREM, Niet-REM]slaap:• Wakker maken is moeilijk;

    • De drempel voor het wakker maker neemt toe met de toename van SWS;

    • Mensen gewekt uit de SWS hebben moeite dromen zich te herinneren;

    • De spieren zijn verslap, maar er is nog tonus;

    • De ogen maken langzaam rollende bewegingen;

    • In het EEG: langzame golfbewegingen (Delta EEG activiteit) met frequenties van 0-4

    Hertz, Incidenteel kunnen korte uitslagen op het EEG optreden aan het begin van deze

    slaapfase, de zogenaamde slaapspoelen (13 – 16 Hz), alsmede een enkele grote uitslagdie K-complexen genoemd worden;

    • Groeihormoon productie toeneemt;

    • De Hartslag vertraagt;

  • 8/17/2019 2 Circadian Rhythms_Sleep_2015_1

    26/64

    REM Slaap

    Algemene karakteristieken van REM slaap:

    • Tijdens REM slaap laat het EEG eenzeer gedesynchroniseerde

    hersenactiviteit zien, hetgeen verrassend

    genoeg overeenkomt met het soort

    EEG-activiteit van de wakkere

    toestand. Hierom wordt deze slaapfase

    ook wel paradoxale slaap genoemd.

    •Afname van spierspanning, maar snelle

    oogbewegingen (REM);

    • Verlies van autonome controle over

    temperatuur en hart-ademhaling functies

     – hartfrequentie: verhoogde, maar

    onregelmatig; bloed druk stijgt;

    ademhaling onregelmatig; penis erectie,

    opgezwollen clitoris;

    • Op ontwaken worden dromen vaak

    vermeld, en beschreven.

    PET (H215O) scans; The brain images are the differences in Cerebral Blood Flow (CBF)

  • 8/17/2019 2 Circadian Rhythms_Sleep_2015_1

    27/64

    PET (H2 O) scans; The brain images are the differences in Cerebral Blood Flow (CBF)

     between: - Waking and NREM sleep; - NREM and REM sleep; and - REM and Waking.

    Hobson and Pace-Schott, The Cognitive Neuroscience of Sleep: Neuronal systems, consciousness

    and learning. Nature Reviews/Neuroscience, 2002, 3: 679-693

    Decreases in

    activity from

    Waking to

     NREM: pre-

    Frontal Cx,

    Thalamus, Pons,

    Caudate n.

    Increases in

    activity from

     NREM to REM

    sleep: Pons,

    midbrain,

    Thalamus,

    Amygdala,

    Hypothalamus,

    Basal ganglia.

    Increases from

    REM to Waking:

    Forebrain,Limbic and

    Para-limbic

    regions

    Changes in Blood flow:Z-scores

    l ll ll l k

  • 8/17/2019 2 Circadian Rhythms_Sleep_2015_1

    28/64

    Doelstellingen College Slaap-waakritme

    11 Vragen - Formuleer gepast antwoorden op de volgende vragen:

    1. Hoe kan worden aangetoond dat de SCN is de generator van de circadiaan ritmiek?

    2. Welke zijn de belangrijkste functies van de Nucleus Supra-Chiasmaticus?

    3. Welke Hormoon wordt sterk verhoogd tijdens slaap?

    4. Wat zijn de belangrijkste verschillen tussen SWS en REM-slaap? 

    5. Op welke leeftijd is de % van REM-slaap het hoogste?

    6. Welke systemen in de hersenen vormen de kern van de neurale circuits van slaapregulatie

    7. Hoe kan verminderde spiertonus in REM-slaap optreden?

    8. Welk bewijs toont dat slaap is onder homeostatische controle?

    9. Wat zijn slaapregulerende fysiologische variabelen?

    10. Wat beïnvloedt prestaties het meest: een nacht van slaaptekort of een bloed-alcohool concentratie (BAC) van0.08%?

    11. Hoe kan aangetoond worden dat slaap het geheugen beïnvloedt?

    Figure 14 18 Human Sleep Patterns Change with Age

  • 8/17/2019 2 Circadian Rhythms_Sleep_2015_1

    29/64

    Figure 14.18 Human Sleep Patterns Change with Age

    D l lli C ll Sl k i

  • 8/17/2019 2 Circadian Rhythms_Sleep_2015_1

    30/64

    Doelstellingen College Slaap-waakritme

    11 Vragen - Formuleer gepast antwoorden op de volgende vragen:

    1. Hoe kan worden aangetoond dat de SCN is de generator van de circadiaan ritmiek?

    2. Welke zijn de belangrijkste functies van de Nucleus Supra-Chiasmaticus?

    3. Welke Hormoon wordt sterk verhoogd tijdens slaap?

    4. Wat zijn de belangrijkste verschillen tussen SWS en REM-slaap?

    5. Op welke leeftijd is de % van REM-slaap het hoogste?

    6. Welke systemen in de hersenen vormen de kern van de neurale circuits van slaapregulatie

    7. Hoe kan verminderde spiertonus in REM-slaap optreden?

    8. Welk bewijs toont dat slaap is onder homeostatische controle?

    9. Wat zijn slaapregulerende fysiologische variabelen?

    10. Wat beïnvloedt prestaties het meest: een nacht van slaaptekort of een bloed-alcohool concentratie(BAC) van 0.08%?

    11. Hoe kan aangetoond worden dat slaap het geheugen beïnvloedt?

  • 8/17/2019 2 Circadian Rhythms_Sleep_2015_1

    31/64

    Wat is de biologische endogene klok?

    Hoe kan slaap gedefinieerd worden?

    Welke zijn de controle systemen van slaap?

    Wat is de evidentie dat slaap onder homeostatische controle staat?

    Welke zijn de functies van slaap?

    Wat zijn de gevolgen van slaapdeprivatie?

    Kan slapen het geheugen verbeteren?

  • 8/17/2019 2 Circadian Rhythms_Sleep_2015_1

    32/64

  • 8/17/2019 2 Circadian Rhythms_Sleep_2015_1

    33/64

  • 8/17/2019 2 Circadian Rhythms_Sleep_2015_1

    34/64

    Thalamus

    Sleep- Wake

    rhythms are a

    property of theCortico-

    Thalamic-

    Cortical

    System:

    S – W is the

    result of the

    Interaction

    between

    thalamus and

    cortex.

  • 8/17/2019 2 Circadian Rhythms_Sleep_2015_1

    35/64

    Hypothalamic and brainstem neural circuits

    controlling sleep

    Ascending arousal reticular system projects from the

  • 8/17/2019 2 Circadian Rhythms_Sleep_2015_1

    36/64

    LDT/PPT: Lateral Dorsal

    Tegmental Nuclei/Pedunculo

     pontine Tegmental Nuclei;

    Acetylcholine:

    LC: Locus Coeruleus; Nor-Adrenaline;

    Raphé Nuclei; Serotonin of 5-

    HT..

    TMN: Tuberomammilary

     Nucleus; 

    Green arrows – Aminergic

     projections:

    Blue arrows –  Acetylcholinergic projections

    Saper, Chou and Scammell, The sleep switch: hypothalamic control of sleepand wakefulness. Trends in Neurosciences 2001, 24: 726 –731.

    sce d g a ousa e cu a sys e p ojec s o e

     brainstem to the Hypothalamus, Thalamus and Forebrain

    Histamine

    D di t (GABA ) j t f th H th l

  • 8/17/2019 2 Circadian Rhythms_Sleep_2015_1

    37/64

    VLPO: ventrolateral

     preoptic nucleus;

    The VLPO projects to all

    the other nuclei and

    exerts an inhibitory

    action by way of GABA

    and galinin as

    neurotransmitters.

    VLPO : Ventro-Lateral-

    Pre-optic Nucleus; in

    red : GABAergic and

    Galanin

    Saper et al, TINS 2001, 24: 726 –731

    Descending systems (GABAerg) project from the Hypothalamus,

    to the mesencephalon and brain-stem

    The Orexin (or Hypocretin, discovered in 1998) connection, a main switch in the

  • 8/17/2019 2 Circadian Rhythms_Sleep_2015_1

    38/64

    The ORX/hypocretin

    system innervates all ofthe components of the

    ascending activating

    reticular system, and

    increase the firing of

    neurons in:

    LC, Raphé and TMN;

    Thus the ORX system

     prevents an inappropriate

    switching from

    wakefulness to sleep.

    (Saper et al, TINS 2001, 24: 726 –731)

    LH – “hongercentrum”(“orexinergic, bevat

    Orexin/Hypocretin: van het Grieks

    “oregein” = verlangen); stimulatie:

    veroorzaakt overmatige

    voedselopname: hyperfagie envetzucht - obesitas;

    ( yp )

    sleep transitions : hypothalamic control of sleep and wakefulness. 

    u ua n on e ween an m nerg c nuc e  

  • 8/17/2019 2 Circadian Rhythms_Sleep_2015_1

    39/64

     Aminergic -HIST

     Aminergic - NA  Aminergic – 5-HT

    GABA

    Galinin

     Ach

    Dynamic FLIP - FLOP SWITCH

    SLEEP  AROUSAL

    -

    --

    -

    VLPODuring sleep

    VLPO neurons

    firing increase

     Aminergic neurons fire during

    arousal

    REM

    OREXIN

    neurons firing

    increase

    during waking

    During arousal

     Aminergic

    neurons

    increase firing

    Figure 28.8 Circuitry involved in decreased sensation and muscle paralysis during REM sleep

  • 8/17/2019 2 Circadian Rhythms_Sleep_2015_1

    40/64

    How can muscle

    atonia occur in

    REM sleep?

    GABA-A. GABA-B

    Boucetta S, Cissé Y, Mainville L, Morales M, Jones BE.

    Discharge Profiles across the Sleep–Waking Cycle of

    Identified Cholinergic, GABAergic, and Glutamatergic

    Neurons in the Pontomesencephalic Tegmentum of the

    Rat. J of Neuroscience 2014

    Doelstellingen College Slaap waakritme

  • 8/17/2019 2 Circadian Rhythms_Sleep_2015_1

    41/64

    Doelstellingen College Slaap-waakritme

    11 Vragen - Formuleer gepast antwoorden op de volgende vragen:

    1. Hoe kan worden aangetoond dat de SCN is de generator van de circadiaan ritmiek?

    2. Welke zijn de belangrijkste functies van de Nucleus Supra-Chiasmaticus?

    3. Welke Hormoon wordt sterk verhoogd tijdens slaap?

    4. Wat zijn de belangrijkste verschillen tussen SWS en REM-slaap?

    5. Op welke leeftijd is de % van REM-slaap het hoogste?

    6. Welke systemen in de hersenen vormen de kern van de neurale circuits van slaapregulatie?

    7. Hoe kan verminderde spiertonus in REM-slaap optreden?

    8. Welk bewijs toont dat slaap is onder homeostatische controle?

    9. Wat zijn slaapregulerende fysiologische variabelen?

    10. Wat beïnvloedt prestaties het meest: een nacht van slaaptekort of een bloed-alcohool concentratie (BAC) van0.08%?

    11. Hoe kan aangetoond worden dat slaap het geheugen beïnvloedt?

    Doelstellingen College Slaap-waakritme

  • 8/17/2019 2 Circadian Rhythms_Sleep_2015_1

    42/64

    Doelstellingen College Slaap-waakritme

    11 Vragen - Formuleer gepast antwoorden op de volgende vragen:

    1. Hoe kan worden aangetoond dat de SCN is de generator van de circadiaan ritmiek?

    2. Welke zijn de belangrijkste functies van de Nucleus Supra-Chiasmaticus?

    3. Welke Hormoon wordt sterk verhoogd tijdens slaap?

    4. Wat zijn de belangrijkste verschillen tussen SWS en REM-slaap?

    5. Op welke leeftijd is de % van REM-slaap het hoogste?

    6. Welke systemen in de hersenen vormen de kern van de neurale circuits van slaapregulatie?

    7. Hoe kan verminderde spiertonus in REM-slaap optreden?

    8. Welk bewijs toont dat slaap is onder homeostatische controle?

    9. Wat zijn slaapregulerende fysiologische variabelen?

    10. Wat beïnvloedt prestaties het meest: een nacht van slaaptekort of een bloed-alcohool concentratie(BAC) van 0.08%?

    11. Hoe kan aangetoond worden dat slaap het geheugen beïnvloedt?

  • 8/17/2019 2 Circadian Rhythms_Sleep_2015_1

    43/64

    Wat is de biologische endogene klok?

    Hoe kan slaap gedefinieerd worden?

    Welke zijn de controle systemen van slaap?

    Wat is de evidentie dat slaap onder homeostatische controle staat?

    Welke zijn de functies van slaap?

    Wat zijn de gevolgen van slaapdeprivatie?

    Kan slapen het geheugen verbeteren?

    Sl f lfill ti l H t ti F ti i th h l

  • 8/17/2019 2 Circadian Rhythms_Sleep_2015_1

    44/64

     

    • Sleep is homeostatically regulated and it is essential for survival.

    • Sleep factors that accumulate in brain during prolonged wakefulness convey information of the

    duration and intensity of the waking period.

    Evidence that sleep is under homeostatic control:

    Both SWS and REM increase in duration after total sleep deprivation, i.e. the longer the waking period, the more sleep pressure (S) is accumulated in the brain and the longer is takes todissipate it during sleep (recovery sleep).

    Sleep fulfills an essential Homeostatic Function in the whole

    organism

    Tarja Porkka-Heiskanen. Sleep Homeostasis. Curr. Opinion Neurobiol. 2013

    Daan, Beersma, Borbely. Timing of

    human sleep – recovery process gated

     by a circadian pacemaker. Am J.

    Physiol. 1984.

    Zavada, Strijkstra, Boerema, Daan,

    Beersma. Evidence for differential

    SWA regulation across the brain. Am J

    Physiol. 2009 

    The “two-process” model of sleep

  • 8/17/2019 2 Circadian Rhythms_Sleep_2015_1

    45/64

    The two process model of sleep

    regulation consists of the following

    elements:

    1. A sleep-regulating physiological

    variable (factor S) that increases during

    wakefulness and decreases during sleep.

    2. Sleep onset occurs when S reaches a

    threshold H (sleep threshold); awakening

    occurs when S reaches a threshold L

    (wake threshold).

    3. The thresholds are regulated by a

    circadian pacemaker or process C.

    4. SWA (Slow-wave Activity) is assumedto be proportional to the instantaneous

    decay rate of Process S, but adaptation to

    the SWA functions at different brain

    locations has been introduced.

    Daan, Beersma, Borbely. Timing of human sleep – recovery process gated by a circadian pacemaker. Am J. Physiol. 1984.

    Zavada, Strijkstra, Boerema, Daan, Beersma. Evidence for differential SWA regulation across the brain. Am J Physiol. 2009 .

    Homoestatic principle: S (more EEG

     power) increases in the course of

    wakefulness.

    Circadian principle: longer

    wakefulness followed by shorter

    sleep (under normal conditions);

    Doelstellingen College Slaap-waakritme

  • 8/17/2019 2 Circadian Rhythms_Sleep_2015_1

    46/64

    Doelstellingen College Slaap waakritme

    11Vragen - Formuleer gepast antwoorden op de volgende vragen:

    1. Hoe kan worden aangetoond dat de SCN is de generator van de circadiaan ritmiek?

    2. Welke zijn de belangrijkste functies van de Nucleus Supra-Chiasmaticus?

    3. Welke Hormoon wordt sterk verhoogd tijdens slaap?

    4. Wat zijn de belangrijkste verschillen tussen SWS en REM-slaap?

    5. Op welke leeftijd is de % van REM-slaap het hoogste?

    6. Welke systemen in de hersenen vormen de kern van de neurale circuits van slaapregulatie

    7. Hoe kan verminderde spiertonus in REM-slaap optreden?

    8. Welk bewijs toont dat slaap is onder homeostatische controle? 

    9. Wat zijn slaapregulerende fysiologische variabelen?

    10. Wat beïnvloedt prestaties het meest: een nacht van slaaptekort of een bloed-alcohool concentratie(BAC) van 0.08%?

    11. Hoe kan aangetoond worden dat slaap het geheugen beïnvloedt?

    Which are the possible S factors?

  • 8/17/2019 2 Circadian Rhythms_Sleep_2015_1

    47/64

     Which are the possible S factors?

    The most important presently known sleep factor is 

    Adenosine – is a nucleoside, energy carrier, co-neurotransmitter (inhibitory

    modulator at A1 receptors); increases during wakefulness and decreasesduring sleep. This increase in Adenosine is particularly evident in the basal

    forebrain (BF) cholinergic area and in the cortex, locally, and depends on

    intact cholinergic cells.

    Adenosine inhibits via A2 receptors the wake-active neurons and promotes

    sleep.

    The increase of Adenosine, however,is not an isolated phenomenon, sinceit goes together with local changes in energy metabolism; associated with

    PGD2, IL-1β and Growth-Hormone releasing factor (GnRH).

    It remains to be clearly demonstrated whether, and how, Adenosine

    represents the final S-factor.

    BDNF – Brain-Derived Neural Growth Factor: synapse formation –upscaling during

    waking and downscaling during sleep (possible in conjunction with glial TNFα =Tumor

     Necrosis Factor α); BDNF administration increases sleep and suppression decreases

    sleep.

    PGD2 – Prostagalandin 2: increases adenosine;

    Cellular defense components of the immune system are activated, namely INOS

    (Induced Nitric Oxide Synthase) and cytokines (IL-1) expression is increased.

    Metabolic pathways (in Neurons and

    Glia cells) of Adenosine from ATP,

    ADP, AMP; Adenosine receptors A1

    and A2.

    The rate of formation of adenosinedepends on neuronal activity; it is

    released upon neuronal activation; it

    acts as negative feedback signal that

    decreases cellular activity and energy

    needs, and thus has a neuroprotective

    effect.

    Excitatory

    Inhibitory

    Pokka-Heiskanen and Kalinchuk. Adenosine, energy

    metabolism and sleep. Sleep Medicine Reviews 2011

    Doelstellingen College Slaap-waakritme

  • 8/17/2019 2 Circadian Rhythms_Sleep_2015_1

    48/64

    Doelstellingen College Slaap waakritme

    11 Vragen - Formuleer gepast antwoorden op de volgende vragen:

    1. Hoe kan worden aangetoond dat de SCN is de generator van de circadiaan ritmiek?

    2. Welke zijn de belangrijkste functies van de Nucleus Supra-Chiasmaticus?

    3. Welke Hormoon wordt sterk verhoogd tijdens slaap?

    4. Wat zijn de belangrijkste verschillen tussen SWS en REM-slaap?

    5. Op welke leeftijd is de % van REM-slaap het hoogste?

    6. Welke systemen in de hersenen vormen de kern van de neurale circuits van slaapregulatie

    7. Hoe kan verminderde spiertonus in REM-slaap optreden?

    8. Welk bewijs toont dat slaap is onder homeostatische controle?

    9. Wat zijn slaapregulerende fysiologische variabelen?

    10. Wat beïnvloedt prestaties het meest: een nacht van slaaptekort of een bloed-alcohool concentratie(BAC) van 0.08%?

    11. Hoe kan aangetoond worden dat slaap het geheugen beïnvloedt?

  • 8/17/2019 2 Circadian Rhythms_Sleep_2015_1

    49/64

    Wat is de biologische endogene klok?

    Hoe kan slaap gedefinieerd worden?

    Welke zijn de controle systemen van slaap?

    Wat is de evidentie dat slaap onder homeostatische controle staat?

    Welke zijn de functies van slaap?

    Wat zijn de gevolgen van slaapdeprivatie?

    Kan slapen het geheugen verbeteren?

    Wat zijn de functies van slaap

  • 8/17/2019 2 Circadian Rhythms_Sleep_2015_1

    50/64

    Er bestaan een aantal niet-exclusieve

    hypothesen:

    1) Behoud van energie - het bevorderen van

    herstelprocessen;

    2) Optimaliseren van de psychomotorische

    performance;

    3) Optimaliseren van het immuunsysteem (?);

    4) Rijping en Ontwikkeling van de hersenen;

    5) Consolidatie van het geheugen.

    • W. H. Moorcroft:• Behavioural Brain Research 69 (1995)

    207-210.

    • “The function of sleep may besummed up in one word:efficiency. Sleep provides thecircumstance for theachievement of many diversefunctions in a highly efficientmanner. An organism can beinefficient for a while but

    eventually such inefficiency canbe very detrimental”.

    The unifying picture that

    emerges when all of the

    research and theorizing todate is integrated is that

    efficiency of the organism

    may be the essential

    function of sleep.

    “The function of sleep remains unknown despite our

    rapidly increasing understanding of the processes

    generating and maintaining sleep”, Pierre Maquet

    (2001) 

  • 8/17/2019 2 Circadian Rhythms_Sleep_2015_1

    51/64

    Wat is de biologische endogene klok?

    Hoe kan slaap gedefinieerd worden?

    Welke zijn de controle systemen van slaap?

    Wat is de evidentie dat slaap onder homeostatische controle staat?

    Welke zijn de functies van slaap?

    Wat zijn de gevolgen van slaapdeprivatie?

    Kan slapen het geheugen verbeteren?

  • 8/17/2019 2 Circadian Rhythms_Sleep_2015_1

    52/64

  • 8/17/2019 2 Circadian Rhythms_Sleep_2015_1

    53/64

    Lapses of

    attention in

    normal subjects

     – “psychomotor

    vigilance test”-

    during a period

    of sleep

    restriction (SR)

     – 5 nights with 4

    hours time in

    bed (TIB), and

    one recovery

    night with

    different

    durations:0h, 2h, 4h, 6h,

    8h, and 10h

    time-in-bed.

    Basner, Rao, Goel, Dinges. Sleep deprivation and neurobehavioral dynamics. Curr Opinion

    Neurobiology, 2013

  • 8/17/2019 2 Circadian Rhythms_Sleep_2015_1

    54/64

    Impairments of performance after sleep deprivation

    • The decrease in performance measured in a virtual car driving test resembles that seen afterintake of alcohol in excess.

    • The performance after 1 night of total sleep deprivation, or of 7 consecutive nights of sleepreduced to 5 hours, is similar  to that of a subject with a BAC of 0.08%.

    • The impairments in performance caused by sleep deprivation and by excess alcohol areadditive.

    (Bonnet and Arand 2003)

    Doelstellingen College Slaap-waakritme

  • 8/17/2019 2 Circadian Rhythms_Sleep_2015_1

    55/64

    g g p

    11 Vragen - Formuleer gepast antwoorden op de volgende vragen:

    1. Hoe kan worden aangetoond dat de SCN is de generator van de circadiaan ritmiek?

    2. Welke zijn de belangrijkste functies van de Nucleus Supra-Chiasmaticus?

    3. Welke Hormoon wordt sterk verhoogd tijdens slaap?

    4. Wat zijn de belangrijkste verschillen tussen SWS en REM-slaap?

    5. Op welke leeftijd is de % van REM-slaap het hoogste?

    6. Welke systemen in de hersenen vormen de kern van de neurale circuits van slaapregulatie

    7. Hoe kan verminderde spiertonus in REM-slaap optreden?

    8. Welk bewijs toont dat slaap is onder homeostatische controle?

    9. Wat zijn slaapregulerende fysiologische variabelen?

    10. Wat beïnvloedt prestaties het meest: een nacht van slaaptekort of een bloed-alcohool concentratie(BAC) van 0.08%?

    11. Hoe kan aangetoond worden dat slaap het geheugen beïnvloedt?

  • 8/17/2019 2 Circadian Rhythms_Sleep_2015_1

    56/64

    Wat is de biologische endogene klok?

    Hoe kan slaap gedefinieerd worden?

    Welke zijn de controle systemen van slaap?

    Wat is de evidentie dat slaap onder homeostatische controle staat?

    Welke zijn de functies van slaap?

    Wat zijn de gevolgen van slaapdeprivatie?

    Kan slapen het geheugen verbeteren?

  • 8/17/2019 2 Circadian Rhythms_Sleep_2015_1

    57/64

    Motor Skill task learning:A k 1st 12h l t t t

  • 8/17/2019 2 Circadian Rhythms_Sleep_2015_1

    58/64

    Walker and Stickgold. Sleep-dependent

    learning and memory consolidation. Neuron,

    2004

     A : wake 1st; 12h later retest;

    Following one night of sleep:

    performance improvement.

    B : Following 10pm training one

    night normal sleep;;

    Next morning:performance

    improved;

    C: Correlation “ overnight

    improvement” vs “% stage 2 NREM

    sleep in 4th quarter of the night”.

    Visual skill task:D: performance in Wake subjects

    retested on same day vs subjects

    retested after one night’s Sleep.

    E: Subjects retested at successivedays show improvement; Subjects

    sleep deprived the 1st night after

    training show no improvement

    (green hatched column) even after

    2 nights of recovery sleep.

    F: Correlation “overnight

    improvement” vs “% SWS in 1st 

    quarter & REM in last quarter.

    The contribution of Sleep to the Hippocampus – dependent Memory System

    Transcranial Magnetic stimulation (TMS) at the

  • 8/17/2019 2 Circadian Rhythms_Sleep_2015_1

    59/64

    Marshall, L and Born, J. the contribution of sleep to hippocampus –dependent memoryconsolidation. Trends in Cognitive Sciences 2007

    SPWs = Sharp Waves

    Tested nextmorning with

    TMS or sham

    TMS 5 x

    5 min

    with 1min

    breaks

    EEG duringthe breaks;

    Sham (white)

    and TMS(black)

    The up-state of Slow

    Oscillation drives thereplay of encoded

    memories

    Replay activity

    via Thalamo-

    Cortical

    spindles & LC

    bursts leads to

    memory

    consolidation in

    the cortex

    Transcranial Magnetic stimulation (TMS) at the

    frequency of the SWS oscillation (0.75 Hz)

    applied between the pre-frontal

    Cortex and Mastoids, boosts

    declarative memory consolidation

    Hypothesis

  • 8/17/2019 2 Circadian Rhythms_Sleep_2015_1

    60/64

    Kort overzicht van Primaire Slaapstoornissen 

  • 8/17/2019 2 Circadian Rhythms_Sleep_2015_1

    61/64

    - Dyssomnia; Insomnie; Hypersomnie. Stoornissen in slaapduur, kwaliteit entijdstip van de slaap (dyssomnia): te korte (insomnie) of te lang (Hypersomnie).

    Insomnie of slapeloosheid – moeilijk slaap te vatten, te vaak wakker worden, en/of te

    handhaven, te vaak wakker worden (medische aandacht is nodig als de klachten 3 of

    meer nachten per week zich voordoen, en langer dan ±3 maanden aanhouden; hetwordt geschat dat ± 7% van de Nederlanders heeft regelmatig last van slapeloosheid;

    -

    - Slaap-apneu – als de adem tijdens de slaap > 20 keer per nacht gedurende minimaal1s stokt; deze stoornis kan leiden tot insomnie tijdens de nacht en slaperigheid en

    vermoeidheid overdag.

    - Rusteloos been syndroom, en periodieke beenbewegingen – bij het slaap gaandrang om de benen te bewegen;

    - Slaap-waak stoornissen – Narcolepsie – aandoening waarbij onweerstaanbareslaapaanvallen zich plotseling voordoen door ontregelingen van de biologische klok;

    soms hebben narcolepsie - patiënten ook last van Kataplexie = aanvallen van plotseling

    spierverslappingen.

    - Parasomnie  – verzamelnaam voor verschijnselen als slaapwandelen, nachtmerries,angstaanvallen;

    - CRSDs = Circadian Rhythm Sleep Disorders - Uitgestelde of vertraagdeslaapfasestoornis (delayed sleep phase); Vervroegde slaapfasestoornis (advanced sleep

    phase; Onregelmatig slaap-waakritme ; Het” free-running type”.

    Stimulus: bright light pulse at

    6-7a.m.

    Open circles : after

    light pulse exposure;

    Closed circles at

    constant routine

    condition.

    Y –axis: Plasma

    Melatonin (pg/mL)

    St Hilaire, MA, et al Human phase response curve to a 1h pulse of bright light.J. Physiol. 2012

    Doelstellingen College Slaap-waakritme

  • 8/17/2019 2 Circadian Rhythms_Sleep_2015_1

    62/64

    11 Vragen - Formuleer gepast antwoorden op de volgende vragen:

    1. Hoe kan worden aangetoond dat de SCN is de generator van de circadiaan ritmiek?

    2. Welke zijn de belangrijkste functies van de Nucleus Supra-Chiasmaticus?

    3. Welke Hormoon wordt sterk verhoogd tijdens slaap?

    4. Wat zijn de belangrijkste verschillen tussen SWS en REM-slaap?

    5. Op welke leeftijd is de % van REM-slaap het hoogste?

    6. Welke systemen in de hersenen vormen de kern van de neurale circuits van slaapregulatie

    7. Hoe kan verminderde spiertonus in REM-slaap optreden?

    8. Welk bewijs toont dat slaap is onder homeostatische controle?

    9. Wat zijn slaapregulerende fysiologische variabelen?

    10. Wat beïnvloedt prestaties het meest: een nacht van slaaptekort of een bloed-alcohool concentratie(BAC) van 0.08%?

    11. Hoe kan aangetoond worden dat slaap het geheugen beïnvloedt?

    Further reading: handbooks and selected articles

    Al H db k

  • 8/17/2019 2 Circadian Rhythms_Sleep_2015_1

    63/64

     Algemeen: Handboeken:-Breedlove, S. Marc and Watson, Neil V., Biological Psychobiology. An Introduction to Behavioral, Cognitive

    and Clinical Neuroscience. 7th Edition; Sinauer Ass, Inc. Publishers, Sunderland, Massachusetts, 2013.Chapter

    13: Homeostasis: active regulation of the internal environment. Chapter 14: Biological Rhythms, Sleep, and

    Dreaming.

    - Purves, Dale et al. Neuroscience, 5th Edition.2012, Chapter 28: Sleep and Wakefulness.

    Geselecteerde artikelen:Makkelijk:

    Saper, Chou and Scammell, The sleep switch: hypothalamic control of sleep and wakefulness. Trends in

    Neurosciences 2001, 24: 726 –731.

    Bonnet, M. H. and Arand, D.L. Clinical effects of sleep fragmentation and sleep deprivation. A clinical review.

    Sleep Medicine Reviews 2003, 7(4): 297 – 310.

    Basheer R, Strecker, RE, Thakkar MM, Mccarley RW. Adenosine and sleep-wake regulation. Progr.

    Neurobiology 2004.

    Nir Y, Staba RJ, Andrillon T, Vyazovskiy VV, Cirelli C, Fried I. Regional slow waves and spindles in human sleep.

    Neuron 2011.

    Basner, Rao, Goel, Dinges. Sleep deprivation and neurobehavioral dynamics. Curr Opinion Neurobiology, 2013.

    Porkka-Heiskannen, T. Sleep Homeostasis, Current Opinion in Neurobiology. 2013.

    Moeilijk:

    Zavada, Strijkstra, Boerema, Daan, Beersma. Evidence for differential SWA regulation across the brain. Am J

    Physiol. 2009.

     Narcolepsy is a disabling sleep disorder affecting humans and animals. It is

    characterized by daytime sleepiness cataplexy (sudden muscular tone weakness)

  • 8/17/2019 2 Circadian Rhythms_Sleep_2015_1

    64/64

    Lin Faraco Li Kadotani Rogers Lin Qiu de Jong Nishino Mignot The sleep disorder canine narcolepsy is

    characterized by daytime sleepiness, cataplexy (sudden muscular tone weakness),

    and striking transitions from wakefulness into rapid eye movement (REM) sleep