Ritmi Circadiani: il tuo orologio biologico interno
Il ritmo circadiano è un meccanismo attraverso cui gli esseri viventi possono sincronizzare i propri processi biologici con l'andamento della luce e del buio del giorno terrestre ed è fortemente legato a vari processi fisiologici come il sonno, il metabolismo, la secrezione ormonale e i processi neurocomportamentali.
Cosa si intende con Ritmi Circadiani?
Il termine circadiano deriva dalle parole latine "circa" (intorno) e "diem" (giorno), ovvero circa un giorno. Ciò sta a indicare che questi cicli hanno una durata di circa 24 ore.
Praticamente tutti gli organismi viventi hanno sviluppato un orologio biologico circadiano per adattare la programmazione quotidiana dei processi fisiologici del corpo ai cambiamenti ambientali quotidiani causati dalla rotazione della Terra. Nei mammiferi il pacemaker circadiano centrale è situato nel nucleo soprachiasmatico dell’ipotalamo anteriore.
Il ritmo circadiano è quindi un meccanismo attraverso cui gli esseri viventi possono sincronizzare i propri processi biologici con l'andamento della luce e del buio del giorno terrestre.
In effetti, il ritmo circadiano funziona come un vero e proprio orologio che regola tutti questi processi. Negli esseri umani, il ritmo circadiano è fortemente legato a vari processi fisiologici come il sonno, il metabolismo, la secrezione ormonale e i processi neurocomportamentali.
È noto che l'interruzione del ritmo circadiano ha impatti negativi sulla salute che possono andare dall'affaticamento tipico dei viaggiatori con jet-lag a un aumento del rischio di cancro nei turnisti a rotazione.
Ritmi Circadiani e fisiologia umana
Possiamo affermare che lo stimolo più forte che incide sui nostri ritmi circadiani è la luce.
Attraverso l'esposizione alla luce durante il corso della giornata, i ritmi circadiani influenzano vari processi fisiologici e comportamentali come il sonno-veglia, la temperatura corporea, la produzione di ormoni e altre funzioni metaboliche.
Sonno-Veglia
Il sonno è una componente essenziale per avere una buona salute generale.
Si tratta di uno stato di coscienza che si verifica in una serie di fasi in cui i sensi sono in gran parte ignorati, la funzione motoria è per lo più inibita e possiamo sognare. Queste fasi includono le fasi da I a IV del sonno e il movimento rapido degli occhi (la cosiddetta fase REM). La quantità e la qualità del sonno necessarie e adeguate servono a mantenere in salute il nostro cervello, il cuore e il sistema immunitario oltre a favorire il consolidamento della memoria e il ripristino della funzione cerebrale.
Gli esseri umani normalmente dormono ciclicamente una volta al giorno a causa di un controllo circadiano strettamente regolato.
Proprio per favorire il sonno, le concentrazioni di melatonina aumentano quando la luce svanisce prima che sopraggiunga l'oscurità, raggiungono il picco durante la notte e diminuiscono quando vengono esposte alla luce, favorendo così la veglia. Sebbene nella maggior parte dei casi sia endogena, alcuni individui potrebbero essere carenti o non avere la capacità di rilasciare melatonina in modo appropriato. In questo caso, l'integrazione di melatonina potrebbe essere un'opzione in quanto questi integratori sono relativamente sicuri e non creano dipendenza. L'interruzione del sonno e cambiamenti improvvisi nei suoi cicli fanno sì che il rilascio di melatonina non sia sincronizzato con i segnali ambientali. Ciò è associato a perdita di concentrazione e malattie cognitive, suscettibilità alle malattie cardiovascolari e metaboliche e a un sistema immunitario indebolito.
Ahimè, la luce artificiale è una necessità della società moderna: fornisce illuminazione quando la luce naturale non è disponibile consentendo una moltitudine di attività dopo il tramonto, ha lo scopo di migliorare le prestazioni visive e la visibilità negli ambienti interni ed esterni migliorando così la sicurezza e il comfort degli esseri umani. Purtroppo, l'utilizzo della luce artificiale ha anche impatti negativi sulla salute degli esseri umani. Infatti, mentre l’esposizione alla luce blu è importante per mantenere il benessere, la vigilanza e le prestazioni cognitive dell’organismo durante il giorno, l’esposizione cronica alla luce blu a bassa intensità direttamente prima di andare a dormire può avere gravi implicazioni sulla qualità del sonno e, quindi, sui ritmi circadiani.
Le prove dell'importanza della luce nella regolazione del ritmo circadiano provengono anche da studi che hanno utilizzato la luce intensa per trattare i disturbi dell'umore. La luce blu potrebbe rivelarsi ulteriormente utile nel trattamento della depressione premestruale, della bulimia e dell'ansia.
Pertanto, oggi è chiaro che la luce blu ha molti effetti fisiologici, ma forse il più importante tra questi è quello di “trascinare” il ritmo circadiano.
Temperatura corporea
L'oscillazione quotidiana della temperatura corporea interna dei mammiferi e degli uccelli è stata documentata in numerosi studi su un gran numero di specie. La temperatura corporea è generalmente più elevata durante il giorno nelle specie diurne e più elevata durante la notte in quelle notturne. Il livello medio di oscillazione è compreso tra i 36° e i 41°C nella maggior parte delle specie.
Il controllo principale di questa oscillazione termica è di natura circadiana, con il sistema di termoregolazione che svolge un ruolo secondario. Comprendere le origini e le caratteristiche del ritmo circadiano della temperatura corporea (CRT) è di fondamentale importanza poiché l'omeotermia fornisce vantaggi fisiologici ed ecologici che contribuiscono al successo adattativo di uccelli e mammiferi in diversi ambienti.
Sebbene si presuma generalmente che l'ibernazione e il torpore siano specializzazioni relativamente recenti derivanti da antenati omeotermici, è stato proposto che l'eterotermia possa effettivamente aver preceduto l'omeotermia nei vertebrati. Pertanto, il CRT potrebbe benissimo essere una forma lieve e recente di un antico processo di torpore quotidiano. È interessante notare che è stato ampiamente documentato che le specie ectotermiche esistenti, in particolare i rettili, possono generare CRT se viene loro data l'opportunità di selezionare la temperatura del loro ambiente, il che supporta ulteriormente la nozione di un'origine ancestrale della ritmicità quotidiana/circadiana.
Si ipotizza che la "nuova" spinta evolutiva verso il mantenimento dell'omeostasi negli omeotermi possa entrare in conflitto con la "vecchia" spinta universale verso l'oscillazione termica, spiegando così l'apparente contrasto tra il sistema termoregolatore e il sistema circadiano nel controllo della temperatura corporea.
Secrezione ormonale
Cambiamenti periodici possono essere osservati anche nell’omeostasi ormonale. È ormai noto che i ritmi circadiani e i ritmi endocrini sono strettamente correlati e che l’orologio interno influenza in modo significativo il modo in cui il corpo risponde alle influenze ambientali. È stato riscontrato che molti ormoni fluttuano durante il giorno, ma la melatonina, il cortisolo, gli steroidi gonadici, la prolattina, l'ormone tiroideo e l'ormone della crescita (GH) sono tra i principali.
Il rilascio di ormoni sensibili ai nutrienti, tra cui l'insulina, la leptina, la grelina e l'adiponectina, è controllato, almeno in parte, da segnali ambientali come l'ora dei pasti e i cicli di luce-buio.
Per esmpio, i livelli di GH aumentano durante il sonno e raggiungono il picco subito dopo essersi addormentati.
Come abbiamo visto, anche i livelli di melatonina sono più alti durante la notte biologica che durante il giorno.
Le concentrazioni dell'ormone stimolante la tiroide (TSH) raggiungono il picco a mezzanotte biologica e il minimo a mezzogiorno biologico.
Anche il cortisolo segue il ritmo del giorno. Alla mezzanotte biologica, il suo livello aumenta rapidamente raggiungendo il massimo al mattino biologico.
La leptina e la grelina inibiscono e aumentano l'assunzione di cibo. Per esempio, prima dei pasti, i livelli di grelina aumentano e successivamente diminuiscono.
Risposta immunitaria
La risposta dell'organismo a un'infezione si manifesta principalmente attraverso la reazione immunologica e prove sempre più evidenti indicano che l'orologio circadiano svolge un ruolo cruciale nella regolazione della difesa immunitaria.
Diverse categorie di cellule immunitarie sono dotate di orologi molecolari e i sistemi immunitario e circadiano interagiscono in diversi modi per coordinare i tempi di numerosi processi che controllano la sorveglianza immunitaria e la risposta alle infezioni. Quasi tutti gli aspetti dell'immunità innata e adattativa mostrano un pattern giornaliero oscillante, compresi il flusso delle cellule immunitarie, i componenti umorali circolanti, i processi infiammatori, la risposta alle infezioni, l'espressione di citochine, chemochine e recettori. I ritmi circadiani influenzano l'immunità, come dimostrato dai cambiamenti continui nel flusso delle cellule immunitarie nel sangue: ad esempio, il numero di neutrofili, monociti e linfociti circolanti varia durante il giorno. In contesti omeostatici o infiammatori, segnali cerebrali controllati dal ritmo circadiano influenzano la migrazione dei leucociti ai tessuti.
Emerge rapidamente un quadro che sottolinea l'importanza dell'ora del giorno nella determinazione del tipo di risposta immunitaria generata dall'organismo. La risposta immunitaria può essere ampiamente categorizzata in uno stato di maggiore allerta e uno di riposo e riparazione.
Poiché l'orologio molecolare può sostanzialmente regolare molti, se non tutti, gli aspetti del sistema immunitario, comprendere come l'orologio e la funzione immunitaria si intrecciano potrebbe rivelare opportunità terapeutiche cruciali per alcune delle malattie croniche più diffuse. Queste intuizioni sono alla base della cronoterapia che prevede il dosaggio dei farmaci in base ai ritmi di attività della malattia nel corso delle 24 ore.
Attività metabolica
L'orologio circadiano guida e mantiene ritmi appropriati nel sistema endocrino e nelle vie metaboliche necessarie per l'omeostasi del corpo. Adatta i suoi cicli ai cambiamenti ambientali, in particolare ai cicli giornalieri di luce-buio e all'assunzione nel tempo di cibo. Ricerche hanno dimostrato che l'orario in cui si consumano i pasti ha profonde implicazioni sulla fisiologia umana, sottolineando così l'importanza della crononutrizione.
Quindi, la constatazione che il momento del pasto ha effetti importanti sui parametri metabolici e fisiologici ha portato alla convinzione che, nella scelta del cibo, non sia importante considerare solo il suo valore nutrizionale ma anche il momento in cui viene assunto. Si è ipotizzato l'esistenza di un "momento ottimale" per mangiare, e sebbene studi suggeriscano i benefici dell'alimentazione ristretta ad un tempo limitato di ore, rimane incerto se esista davvero un questo momento ideale. Presumibilmente, l’alimentazione limitata nel tempo genera cicli di alimentazione-digiuno che consolidano la ritmicità circadiana nell’espressione genica e l’attivazione circadiana di varie vie metaboliche.
È importante sottolineare che un ruolo fondamentale nell'interazione orologio-nutrizione sembra essere svolto dal microbiota.
Il microbiota contribuisce in modo vasto e complesso alla regolazione della fisiologia, influenzato dalla sua composizione diversificata di batteri, archeobatteri e funghi. Questi contribuiscono all'omeostasi degli organi locali, nonché alla fisiologia dell'intero sistema attraverso una serie di vie metaboliche specializzate.
La reciproca influenza tra l'epitelio intestinale e il microbiota è chiara: il microbiota regola l'orologio intestinale, contribuendo all'omeostasi ciclica del sistema.
La domanda cruciale è se sia il microbiota a controllare l'orologio intestinale o viceversa. È probabile che entrambi si influenzino reciprocamente, con cambiamenti nella composizione del microbiota derivanti da diversi regimi nutrizionali che possono modulare l'orologio intestinale e, di conseguenza, l'omeostasi complessiva dell'organismo. La relazione bidirezionale tra l'epitelio intestinale e il microbiota sottolinea la complessità di questa interazione fisiologica.
Performance cognitiva
La regolazione omeostatica del sonno e delle prestazioni cognitive si manifesta quando, dopo un riposo adeguato, le persone si svegliano energiche e attive. Tuttavia, nel corso della giornata, si verifica un graduale declino della vitalità e un aumento della sonnolenza che porta, infine, al sonno notturno. Nei casi in cui il sonno è insufficiente, si sperimenta una diminuzione della vigilanza e un incremento della sonnolenza diurna, mentre un nuovo ciclo di sonno efficiente riporta la persona a uno stato di maggiore attenzione.
La regolazione circadiana del sonno e delle prestazioni cognitive si riferisce al ciclo di circa 24 ore che governa gli stati di veglia e sonnolenza.
L'attenzione riveste un ruolo cruciale in tutte le attività umane, quali apprendimento, lavoro, attività sportive, espressione artistica, interazione sociale e svago. I ritmi circadiani sono rilevabili in tutte le sfaccettature dell'attenzione, sia nella vigilanza costante che nella vigilanza intermittente, così come nell'attenzione selettiva e sostenuta (concentrazione). Tutte queste componenti dell'attenzione mostrano variazioni legate alla durata della veglia, alla privazione del sonno e ai cicli circadiani.
L'andamento temporale dei ritmi circadiani dell'attenzione riveste una certa importanza nella pianificazione delle attività quotidiane. Durante la notte e le prime ore del mattino si osservano livelli più bassi di attenzione, mentre intorno a mezzogiorno si registra un miglioramento e durante le ore pomeridiane e serali si manifestano livelli ancora più elevati. Tuttavia, va notato che questo modello può essere influenzato dal cronotipo individuale, dalla privazione del sonno, dall'età e dall'assunzione di farmaci.
Attualmente, la pianificazione delle nostre attività spesso trascura la fisiologia umana, le esigenze di riposo e i ritmi circadiani, orientandosi prevalentemente su criteri economici o sociali. Gli orari di lavoro e di studio non tengono adeguatamente conto della fisiologia, contribuendo così a compromettere il nostro benessere complessivo.
Performance fisica
L'attività fisica ha la capacità di alterare e sincronizzare i ritmi circadiani, rappresentando un segnale di ripristino di fase negli esseri umani.
Numerose ricerche confermano che l'esercizio di resistenza svolto nel pomeriggio contribuisce ad aumentare le prestazioni atletiche, sia per i professionisti che per i dilettanti. Questo miglioramento deriva dall'integrazione dei ritmi fisiologici, psicologici e metabolici che coinvolgono anche i processi cardiovascolari e che raggiungono il loro apice nel primo pomeriggio. In particolare, si è calcolato che la temperatura corporea è più elevata di 0,9 °C promuovendo così i carboidrati come fonte energetica e rafforzando i legami actina-miosina nei muscoli. L'allenamento pomeridiano sembra favorire le prestazioni di forza e quindi lo sviluppo muscolare. Il maggiore rilascio di calcio dal reticolo sarcoplasmatico, che aumenta il legame con l'actina-miosina e genera una più alta attività ATPasi della miosina, sembra essere responsabile dei livelli di forza più elevati.
Mentre la prestazione anaerobica è ben conosciuta, con minimi mattutini e picchi serali, lo è meno la prestazione aerobica, dove spesso i risultati si contraddicono a vicenda.
E' stato ampiamente dimostrato però che l'esercizio aerobico migliora la cognizione, la memoria e la salute mentale, oltre a promuovere la plasticità strutturale e funzionale nel cervello, imitando l'azione degli antidepressivi.
Longevità
Praticamente tutti gli esseri viventi hanno sviluppato un orologio biologico circadiano per adattare i processi fisiologici del corpo ai cambiamenti ambientali quotidiani causati dalla rotazione della Terra. Nei mammiferi, il principale regolatore circadiano è il nucleo soprachiasmatico (SCN) situato nell'ipotalamo anteriore. I cambiamenti nel SCN sono associati ai disturbi del sonno negli anziani. Anche nell'invecchiamento sano, il segnale di questo orologio interno sembra indebolirsi, influenzando i tempi del sonno e livelli ridotti di temperatura corporea e ormoni.
Questo indebolimento del segnale centrale può contribuire a problemi di salute come sindrome metabolica, disturbi neurodegenerativi e malattie cardiovascolari.
I deficit legati all'età nel sistema circadiano sono probabilmente associati a cambiamenti nella fisiologia e nella funzione della rete neuronale del SCN. La maggior parte dei neuroni retino-riceventi nel SCN viene attivata attraverso i recettori del glutammato, provocando un aumento del calcio intracellulare e cambiamenti nell'espressione genica dell'orologio che determinano gli spostamenti di fase. Con l'invecchiamento, la capacità di sincronizzare il ritmo interno con il ciclo luce-buio esterno viene ostacolata. Questa riduzione si riflette nell'aumento delle intensità luminose necessarie per ottenere un trascinamento simile negli anziani rispetto ai soggetti giovani. Ciò può essere causato da una riduzione della trasmissione della luce del cristallino e della pupilla e da un declino indotto dall'invecchiamento nelle cellule gangliari fotosensibili.
Perché dovremmo assecondare i Ritmi Circadiani?
Le osservazioni sull'esistenza di una rete genetica circadiana in una vasta gamma di organismi, dal regno dei batteri agli esseri umani, indicano che la maggior parte delle cellule e dei tessuti possiede orologi autonomi. Inoltre, è emerso che l'alterazione dei geni dell'orologio provoca una disregolazione metabolica, evidenziando interazioni tra il metabolismo e i ritmi circadiani a livelli neurale, molecolare e cellulare.
Un ritmo circadiano ben coordinato risulta fondamentale per la salute generale e il benessere. Le interruzioni in questi ritmi possono contribuire a disturbi del sonno, sindrome metabolica, cancro, malattie cardiovascolari e altre condizioni. Ad esempio, i lavoratori a turni, che modificano il loro ciclo sonno-veglia, possono riscontrare difficoltà nell'adattare il corpo a orari non convenzionali di lavoro.
I progressi negli studi genetici sui ritmi circadiani hanno portato al riconoscimento che il sistema circadiano è strettamente collegato ai processi che controllano sia il sonno che il metabolismo. Queste interazioni dinamiche assicurano che il metabolismo energetico sia coordinato secondo un corretto schema temporale e che il controllo circadiano sia soggetto anche a modulazione da parte dello stato energetico dell'organismo. L’interruzione dell’orologio circadiano o del metabolismo può portare allo squilibrio dell’altro, predisponendo così a disturbi metabolici come l’obesità e il diabete di tipo 2. Dormire regolarmente e presto, non solo favorisce la produttività mattutina, ma contrasta anche l'obesità e contribuisce a uno stile di vita sano per il cuore.
Conclusioni
Attualmente si ritiene che la luce blu eserciti l'influenza più significativa sulla sincronizzazione del ritmo circadiano umano.
L'esposizione a bassi livelli di luce blu e alla luce intensa durante la notte o prima del riposo notturno può alterare il ritmo circadiano, con potenziali implicazioni gravi per la salute generale. Al contempo, l'esposizione alla luce blu durante le ore diurne risulta cruciale per il benessere degli organismi. La diminuzione dell'illuminazione retinica con l'avanzare dell'età, principalmente a causa della miosi pupillare che riduce la trasmissione della luce specialmente nella porzione blu dello spettro luminoso, sottolinea l'importanza di un'illuminazione artificiale adeguata e completa, con un'attenzione particolare alla componente fredda durante il giorno. Ad esempio, grazie all'aumento della componente blu della luce artificiale, le prestazioni e l'apprendimento degli studenti in età scolare, dei dipendenti che lavorano in ambienti chiusi e la salute complessiva dei pazienti ricoverati in strutture sanitarie potrebbero beneficiarne.
Considerando le recenti scoperte sulla regolazione e l'interruzione del ritmo circadiano, emerge chiaramente che due aspetti fondamentali per mantenere un sistema circadiano sano sono: aumentare la componente blu della luce artificiale durante il giorno e ridurla nelle ore notturne e serali.
Una soluzione pratica per bloccare ed attenuare efficacemente la componente blu dello spettro luminoso prima di coricarsi è l'uso di occhiali e lenti che filtrano la luce blu. Indossare tali occhiali prima di andare a letto può ridurre con efficacia la soppressione della melatonina causata dai LED, agevolando l'adattamento agli orari sociali e riducendo i disturbi del sonno e le loro conseguenze. Inoltre, ridurre la componente blu della luce artificiale nelle ore notturne potrebbe fornire una protezione ai lavoratori a turni, contribuendo a prevenire disturbi come il cancro e patologie cardiovascolari.
Per cui, cercate quanto più possibile di andare a letto presto, dormire bene, mangiare (in modo sano) in una finestra temporale abbastanza ristretta e di stare alla larga dalla luce blu prima di andare a letto!
See you soon! M.
Fonti
American Heart Association, “Regular bedtime may be good for the waistline”
American Heart Association, “Shift workers with high blood pressure may face higher heart disease, diabetes risk”
Biochemical Pharmacology, “The aging brain: sleep, the circadian clock and exercise”
Cell, “Time for Food: The Intimate Interplay between Nutrition, Metabolism, and the Circadian Clock”
Frontiers in Bioscience-Landmark (FBL), “The circadian rhythm of body temperature”
International Review of Neurobiology, “Chapter Nine - Circadian Rhythm and the Gut Microbiome”
Journal of Biophotonics, “The inner clock—Blue light sets the human rhythm”
Journal of Clinical Investigation, “Circadian rhythms, sleep, and metabolism”
MDPI-Nutrients, “Circadian Rhythm Dysregulation and Restoration: The Role of Melatonin”
PLoS One, “Time optimal entrainment control for circadian rhythm”
The Journal of Biological and Medical Rhythm Research, “Systematic review of light exposure impact on human circadian rhythm”
Yale Journal of Biology and Medicine, “Circadian Rhythms in Attention”