Biologische Rhythmik. arbeitsphysiologie 16 Biologische Rhythmik April doc iha Ergonomie / Arbeit + Gesundheit

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1 arbeitsphysiologie 16 April doc iha Ergonomie / Arbeit + Gesundheit

2 H. Krueger Circadiane Rhythmik biologische Effekte 2140 Viele biochemischen Grössen zeigen eine circadiane Periodik (Abb. 1) Abb. 1 Circadiane Rhythmik verschiedener Serumwerte. Das Minimum der Serumkonzentration liegt jeweils gegen 3 Uhr des nachts vor. n. Folkard, Frühling P l a s m a M e l a t o n i n [ pg/ml ] Sommer Herbst Winter T a g e s z e i t 1782 Von besonderem Interesse für die Erforschung der circadianen Rhythmik ist seit einigen Jahren der Melatoninhaushalt. Hypothetisch bestimmt das Melatonin den Wach-Schlaf-Rhythmus. Abb. 2 Circadiane Rhythmik des Melatonin Serumspiegels zu verschiedenen Jahreszeiten. iha Ergonomie / Arbeit + Gesundheit 16-1

3 Arbeitsphysiologie Marker sind Indikatoren für den Schrittmacher und stehen mit den Markern in komplexer Beziehung. Abb. 3 Folgende Marker werden verwendet: Körperkerntemperatur Plasma - Cortisol Plasma - Melatonin 2353 Circadiane Rhythmik: Marker (Mensch) 2353 Zur Bestimmung der Phasenlage der circadianen Rhythmik werden verlässliche Marker benötigt. In der Praxis werden verschiedene Marker verwendet (Abb. 3). Einer der gebräuchlichsten ist die Körperkerntemperatur Abb. 4 Verschiebung der biologischen Rhythmik mit starken Lichtreizen in sensiblen Phasen. Kronauer R.E., Czeisler Ch. A. (1993) Light and biological rhythms in man. In: Wetterberg (Ed.), Pergamon Press, Oxford Mass neuronal discharge in the suprachiasmatic nucleus of a rat. A 3 hour light stimulus was applied to the retina beginning 3 hours before the projected minimum neuronal activity. In response to the stimulus the minimum was delay-shifted by 2 hours and the rhythm amplitude was reduced 20%. (Abb. 4) Abb Helligkeits-Antwortkurven für den menschlichen circadianen Schrittmacher. Zeitzer J.M., Dijk D.-J., Kronauer R.E., Brown E.N., Czeisler Ch.A. (2000) Sensitivity of the human circadian pacemaker to nocturnal light: melatonin phase resettin and suppression. J. of Physiology 526.3, Helligkeits-Antwortkurven für den menschlichen circadianen Schrittmacher (Abb. 5). Die Verschiebung der Phase des Melatonin- Rhythmus (A) am Tage nach der Exposition von 6,5 Stunden mit einem Lichtreiz wurde mit einem vier Parameter logistischen Model (last squares analysis) berechnet. Die akute Suppression des Plasma-Melatonin (B) während der Lichtexposition wurde nach derselben Methode behandelt. Die logistischen Modelle sagen einen Wendepunkt der Kurve voraus (eine Sensitivität) bei ungefähr 120lx. Die Sättigung der Phasenschiebung wird bei ungefähr 550lx vorhergesagt und die der Sättigung der Suppression für etwa 200lx. Das 95% Vertrauensintervall liegt zwischen den gepunkteten Linien. Während der circadianen Periode gibt es bestimmte sensible Phasen, zu denen sich auch die Periodik des Menschen mit relativ wenig Licht vorwärts oder rückwärts verschieben lässt. Wichtig ist also der Zeitpunkt der Applikation des Lichtreizes iha Ergonomie / Arbeit + Gesundheit

4 H. Krueger Abb Schlafstadien nach Lohmis (W...E) bzw. nach Kleitmann (W...4) im Elektroenzephalogramm W: Wachzustand A (A): Übergang vom Wachsein zum Schlafen. B (1): Einschlafstadium und leichtester Schlaf. C (2): leichter Schlaf. D (3): mittlerer Schlaf E (4): Tiefschlaf Die REM-Phasen stehen typischerweise am Ende jeder Schlafperiode. Sie können keinem der klassischen Schlafstadien zugeordnet werden, sondern stellen ein eigenständiges Stadium dar. n. Schmidt R.F.,Thews G.,1995 Physiologie des Menschen S Physiologie des Schlafs Schlaf dient der Erholung. Ein Problem stellt sich allerdings in der Hinsicht, dass die messbare Erholungsfunktion nicht bekannt ist. Aus wissenschaftlicher Sicht ist die Bedeutung des Schlafs nicht bekannt. Schlafdefizit führt zu einer Störung der Wahrnehmungsleistung der koordinativen Fähigkeiten. Die physiologische Schlaftiefe wird elektrophysiologisch bestimmt (Abb. 6). Sie muss nicht mit der subjektiv wahrgenommenen Schlafqualität übereinstimmen. Während der Nacht ändert sich die Schlaftiefe periodisch in zeitlichen Intervallen von etwa 90 min (Abb. 7). Die Periodizität findet sich in den Augenbewegungen, der Herzrate, der Atmung wieder. Mit fortschreitender Schlafdauer nimmt die Schlaftiefe ab. Besondere Bedeutung kommt den sogenannten REM (rapid eye movement) Phasen zu. Sie sind mit gut erinnerbaren Traumphasen verbunden. Ihre Bedeutung ist ungeklärt. Abb Physiologischer Verlauf einer Schlafnacht (Prinzip) iha Ergonomie / Arbeit + Gesundheit 16-3

5 Arbeitsphysiologie 1 non REM 2 Schlaf Pharmakologische Wirkungen 1-4 Hz 4-8 Hz 8-12 Hz Hz Hz Abb Einschlafen Aufen 0854 Schlafstadien und spektrale Verteilung (unten) der EEG-Wellen. n.borbeley (19) Das Geheimnis des Schlafes EEG Spektren erlauben eine differenzierte Betrachtung des Schlafes. Der Anteil sehr langsamer Wellen (1-4Hz) nimmt mit zunehmender Tiefe des Non-es zu und erreicht im Stadium 4 die höchsten Werte. Die Klassifizierung in Schlafstadien ist eine Näherung der in Wirklichkeit kontinuierlich ablaufenden Prozesse. Die untere Abbildung zeigt die spektrale Verteilung der Wellen im EEG. non REM Schlaf Tageszeit Abb. 9 rasches Einschlafen zu frühes Eren Wachliegen zu Beginn tiefer Schlaf verzögerter Einfluss von Alkohol auf den Schlaf. n. Borbeley (19) Geheimnis des Schlafes Schlafverlauf ohne Schlafmittel 1 non REM 2 Schlaf 3 4 Alkohol ist ein ungeeignetes Schlafmittel, wie das Schlafprofil nach einem halben Liter Rotwein zeigt. Der Schlaf tritt zwar schnell ein, es kommt aber zu Durchschlafstörungen. Der ist verzögert Frequenband [Hz] Abb. 10 Normaler Verlauf des ungestörten Schlafs. n. Borbeley (19) Das Geheimnis des Schlafes 16-4 iha Ergonomie / Arbeit + Gesundheit

6 H. Krueger Schlafverlauf mit Schlafmittel 1 non REM 2 Schlaf Frequenband [Hz] Abb. 11 Durch ein Schlafmittel verändertes Schlafprofil. Dargestellt sind die Hirnstromkurven einer Versuchsperson, die mit und ohne Schlafmittel schläft. Das Schlafmittel unterdrückt die langsamen EEG Wellen und erhöht den Anteil der mittleren und der schnellen Wellen. Abnorme schnelle Wellen treten besonders während der REM Phasen auf Abb. 12 Freilaufende circadiane Rhythmik einer Person. Aufenthalt in einem Bunker ohne externe Zeitgeber bei konstanten Lebensbedingungen. n. Aschoff, Wever, 1962 Nach den Untersuchungen von Aschoff und Wever ist die Periodendauer des Menschen im Schnitt etwas länger als 24 Stunden. Dadurch verschiebt sich der Aktivitätsbeginn bei freilaufendem Rhythmus von Tag zu Tag nach hinten (Abb. 12). iha Ergonomie / Arbeit + Gesundheit 16-5

7 Arbeitsphysiologie Körperkerntemperatur [ C] 38,5 Mensch schlafen 38,0 37,5 37,0 36,5 36, Normaltag Tageszeit [Std] Körperkerntemperatur [ C] 38,5 Rhesusaffe hell dunkel 38,0 37,5 37,0 36,5 36, Normaltag Tageszeit [Std] Körperkerntemperatur [ C] 38,5 schlafen 38,0 37,5 37,0 36,5 36, Tageszeit [Std] 10. Tag nach Aktivitätsumkehr 38,5 dunkel hell 38,0 37,5 37,0 36,5 36, Tag nach Tageszeit [Std] Lichtumkehr Körperkerntemperatur [ C] Abb. 13 Beim Menschen verhindern soziale Trigger (z.b. das Wissen der Uhrzeit) die Anpassung der biologischen Rhythmik an die geänderte Akti-vität auch noch nach dem 10. Tag. links n. Benedict u. Snell, 1902 rechts n. Stscherbakowa, 1954 aus J. Rutenfranz & P. Knauth, Schichtarbeit und Nachtarbeit, 1987 Im Gegensatz zum Tier lässt sich der Rhythmus des Menschen nicht auf einfache Weise umstellen. Vor allem soziale Faktoren unterdrücken den Einfluss des Lichtes als Schrittmacher, so dass lange überhaupt an der Schrittmacherwirkung des Lichtes gezweifelt wurde iha Ergonomie / Arbeit + Gesundheit

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