I bambini in età prescolare sono altamente suscettibili agli impatti fisiologici della luce durante la notte

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Secondo una nuova ricerca della CU Boulder, anche una leggera esposizione alla luce può far precipitare l’ormone fondamentale della melatonina nei bambini in età prescolare nell’ora prima di coricarsi, interrompendo potenzialmente il sonno molto tempo dopo che la luce si è spenta.

Lo studio, pubblicato questo mese, è l’ultimo di una serie, finanziata dal National Institutes of Health, che esamina come l’orologio biologico centrale dei bambini piccoli sia unico. Suggerisce che i bambini in età prescolare sono altamente suscettibili agli impatti fisiologici della luce di notte e alcuni bambini potrebbero essere anche più sensibili di altri.

“Il nostro lavoro precedente ha mostrato che un’intensità abbastanza elevata di luce intensa prima di coricarsi smorza i livelli di melatonina di circa il 90% nei bambini piccoli”, ha detto la prima autrice Lauren Hartstein, una borsista post-dottorato nel laboratorio del sonno e dello sviluppo presso la CU Boulder. “Con questo studio, siamo rimasti molto sorpresi di trovare un’elevata soppressione della melatonina in tutte le intensità di luce, anche in quelle deboli”.

Luce: il segnale temporale più forte del corpo

La luce è il segnale temporale principale del corpo, influenzando i ritmi circadiani che regolano tutto, da quando ci sentiamo stanchi o affamati a quale sia la nostra temperatura corporea durante il giorno.

Quando la luce colpisce la retina, un segnale viene trasmesso a una parte del cervello chiamata nucleo soprachiasmatico, che coordina i ritmi in tutto il corpo, inclusa la produzione notturna di melatonina. Se questa esposizione avviene di sera, poiché la melatonina è naturalmente in aumento, può rallentarla o interromperla, ritardando la capacità del corpo di passare alla notte biologica.

Poiché gli occhi dei bambini hanno pupille più grandi e lenti più trasparenti rispetto agli adulti, la luce vi entra più liberamente. (Uno studio recente ha mostrato che la trasmissione della luce blu attraverso l’occhio di un bambino di 9 anni è 1,2 volte superiore a quella di un adulto.)

“I bambini non sono solo piccoli adulti”, ha affermato l’autrice senior Monique LeBourgeois, professore associato di Fisiologia Integrativa e uno dei pochi ricercatori al mondo a studiare la biologia circadiana dei bambini piccoli. “Questa maggiore sensibilità alla luce può renderli ancora più suscettibili alla disregolazione del sonno e del sistema circadiano”.

Ricerca in una “grotta”

Per quantificare quanto siano suscettibili, i ricercatori hanno collaborato con la matematica della Colorado School of Mines Cecilia Diniz Behn per un nuovo studio.

Hanno arruolato 36 bambini sani, di età compresa tra 3 e 5 anni, per un protocollo di nove giorni in cui indossavano un monitor da polso che monitorava il sonno e l’esposizione alla luce. Per sette giorni, i genitori hanno mantenuto i bambini su un programma di sonno stabile per normalizzare i loro orologi biologici e sistemarli in uno schema in cui i loro livelli di melatonina aumentavano all’incirca alla stessa ora ogni sera.

L’ottavo giorno, i ricercatori hanno trasformato la casa dei bambini in quella che hanno descritto giocosamente come una “grotta” – con plastica nera alle finestre e luci soffuse – e hanno prelevato campioni di saliva ogni mezz’ora a partire dal primo pomeriggio fino a dopo l’ora di coricarsi. Ciò ha consentito agli scienziati di ottenere una linea di base di quando è iniziata naturalmente la notte biologica dei bambini e quali erano i loro livelli di melatonina.

L’ultimo giorno dello studio, ai giovani soggetti di studio è stato chiesto di giocare su un tavolo luminoso nell’ora prima di coricarsi, una postura simile a una persona che guarda un telefono o un tablet luminoso. L’intensità della luce variava tra i singoli bambini, da 5 lux a 5.000 lux. (Un lux è definito come la luce di una candela a 1 metro, o circa 3 piedi, di distanza).

Rispetto alla notte precedente con luce minima, la melatonina è stata soppressa ovunque dal 70% al 99% dopo l’esposizione alla luce. Sorprendentemente, i ricercatori hanno trovato poca o nessuna relazione tra la luminosità della luce e la caduta dell’ormone chiave del sonno. Negli adulti, questa risposta dipendente dall’intensità è stata ben documentata.

Anche in risposta alla luce misurata tra 5 e 40 lux, che è molto più debole della tipica luce ambientale, la melatonina è diminuita in media del 78%. E anche 50 minuti dopo lo spegnimento della luce, la melatonina non ha rimbalzato nella maggior parte dei bambini testati.

“Insieme, i nostri risultati indicano che nei bambini in età prescolare, l’esposizione alla luce prima di coricarsi, anche a basse intensità, si traduce in una soppressione della melatonina robusta e prolungata”, ha affermato Hartstein.

Cosa possono fare i genitori

Ciò non significa necessariamente che i genitori debbano gettare via la luce notturna e tenere i bambini nell’oscurità assoluta prima di coricarsi. Ma in un momento in cui metà dei bambini utilizza i supporti per lo schermo prima di andare a letto, la ricerca serve a ricordare a tutti i genitori di spegnere i gadget e mantenere la luce al minimo per favorire buone abitudini di sonno nei loro figli. In particolare, un tablet alla massima luminosità tenuto a 1 piede dagli occhi in una stanza buia misura fino a 100 lux.

Per quei bambini che hanno già problemi di sonno?

“Potrebbero essere più sensibili alla luce rispetto agli altri bambini”, ha affermato LeBourgeois, osservando che i geni, insieme all’esposizione alla luce diurna, possono influenzare la sensibilità alla luce. “In tal caso, è ancora più importante che i genitori prestino attenzione all’esposizione alla luce serale del loro bambino”.


Neuroanatomia e fisiologia alla base delle risposte biologiche e comportamentali alla luce

Gli effetti fisiologici della luce sono mediati dall’occhio nell’uomo. La luce che entra nell’occhio stimola i fotorecettori retinici che convertono le informazioni fotiche in segnali neuronali, che vengono trasmessi attraverso le cellule gangliari a varie regioni del cervello (Fig. 1). Per molti anni si è pensato che ci fossero solo due classi di fotorecettori nell’occhio umano: i bastoncelli e i coni; tuttavia, un altro tipo di fotorecettore molto diverso è stato scoperto nell’occhio dei mammiferi circa due decenni fa.

Questi fotorecettori retinici sono cellule gangliari specializzate che contengono il fotopigmento melanopsina e sono intrinsecamente sensibili alla luce, e sono state quindi chiamate cellule gangliari retiniche intrinsecamente fotosensibili (ipRGC) (Berson et al. 2002; Hattar et al. 2002; Provencio et al. 1998, 2000).

Fig. 1. Illustrazione schematica delle basi neuroanatomiche degli effetti fisiologici della luce. Le cellule gangliari retiniche intrinsecamente fotosensibili (ipRGC) trasmettono informazioni sulla luce ambientale attraverso il tratto retino-ipotalamico (RHT) all’orologio centrale del cervello (SCN, nuclei soprachiasmatici); altre proiezioni dirette di ipRGC includono talamiche e altre regioni del cervello. La risposta dipenderà dalle caratteristiche della luce e/o da altri fattori di mediazione. LGN: nucleo genicolato laterale; IGL: foglio intergenico

Figura

Dalla retina, le informazioni sulla luce vengono trasmesse a più bersagli nel cervello umano attraverso due percorsi principali. Il percorso visivo impiega il nervo ottico, il chiasma e il tratto, che invia informazioni alle strutture coinvolte nella formazione dell’immagine, tra cui il nucleo genicolato laterale (LGN), il lembo intergeniculato (IGL) e la corteccia visiva del lobo occipitale.

Il tratto retino-ipotalamico (RHT) è responsabile del trasporto delle informazioni luminose dalla retina ai nuclei soprachiasmatici (SCN) nell’ipotalamo. Il SCN funge da orologio biologico nei mammiferi e ha numerose connessioni a valle con altre strutture del sistema nervoso centrale, inclusi il midollo spinale e il cervello (ad es. setto, talamo, mesencefalo e altre regioni dell’ipotalamo).

L’RHT proietta anche ad altri nuclei non visivi e centri regolatori del cervello che sono indipendenti dal pacemaker circadiano (Gooley et al. 2003; Hattar et al. 2006).

Effetti fisiologici della luce: descrizione e metodi di base
La luce può influenzare notevolmente una serie di funzioni fisiologiche, tra cui il trascinamento circadiano e lo sfasamento del sistema circadiano, la regolazione neuroendocrina, il sonno, la vigilanza, l’apprendimento e la memoria, l’umore e le risposte pupillari. In questo manoscritto, ci concentriamo principalmente sugli studi sullo sfasamento, sulla soppressione della melatonina e sulla vigilanza, poiché queste funzioni sono state le più ampiamente studiate sia nei modelli animali che nell’uomo. È importante tenere presente, tuttavia, che al di fuori del laboratorio, ogni effetto fisiologico della luce non si verifica isolatamente; la stessa luce può influenzare simultaneamente tutte o alcune di queste varie funzioni. Pertanto, le strategie di illuminazione integrativa devono considerare gli effetti più ampi della luce sulla salute umana e sulle prestazioni. Gli studi a risultati multipli sono limitati ad oggi,

Spostamento di fase e trascinamento

Nell’uomo, quasi ogni cellula del corpo contiene ritmi a livello molecolare, generati dal meccanismo dell’orologio circadiano cellulare, che regolano il metabolismo cellulare, le risposte immunitarie, la riparazione del DNA e la funzione mitocondriale (Sulli et al. 2018). Lavori recenti hanno dimostrato che oltre questo orologio nella cellula, il SCN, insieme a una rete di orologi negli organi periferici, coordina varie funzioni fisiologiche che si traducono in picchi e depressioni circadiane (“circa” che significa circa e “muore” che significa un giorno) in fisiologia, inclusa la temperatura corporea interna (CBT), i livelli ormonali (ad es. melatonina, cortisolo), i modelli del metabolismo energetico, i cicli riproduttivi e la variabilità della funzione immunitaria nel corso della giornata (si veda ad esempio Pilorz et al. 2018, per una revisione approfondita) . A livello comportamentale, i cicli alimentazione-digiuno, sonno-veglia e riposo-attività, così come le fluttuazioni della funzione cognitiva, sono modulate dall’orologio circadiano. In condizioni ideali, gli eventi cellulari, fisiologici e comportamentali sono integrati e coerenti a tutti i livelli (Vetter 2020).

La luce è il principale regolatore dei ritmi circadiani umani e un robusto segnale di cronometraggio, che insieme a un sistema circadiano funzionale, porterà a un trascinamento stabile (Roenneberg et al. 2013). In condizioni normali, il trascinamento circadiano avviene tramite spostamenti giornalieri indotti dalla luce che regolano la differenza tra il periodo endogeno del ritmo e il più preciso periodo di 24 ore del ciclo solare luce-buio. Anche un solo breve impulso di luce è sufficiente per spostare l’orologio, e sia l’intensità che la direzione di tale spostamento di fase dipendono dai tempi di somministrazione della fotica (Fig. 3). Ad esempio, la luce di potenza sufficiente all’inizio della notte biologica provoca un ritardo nei ritmi, mentre la luce molto più tardi nella notte causerà un passaggio a un’ora precedente.

Fig. 3. Curva di risposta di fase (PRC) per la luce (tipo 1). Questa RPC schematica illustra che l’entità dello sfasamento di un impulso luminoso dipenderà dal tempo di somministrazione e, più specificamente, dal tempo biologico (o circadiano) di un individuo, che è tipicamente basato sulla tempistica del ritmo della melatonina. La notte biologica si riferisce al momento in cui i livelli di melatonina sono alti. Credito figura: UC San Diego BioClock Studio, modificato da Rueger et al., 2013.

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Fig. 4. Due distribuzioni spettrali di potenza (SPD) a 3500 K che corrispondono metamerico al CIE 1931 2° Standard Observer. Il contenuto melanopico si riferisce alla proporzione di lunghezza d’onda corta della sorgente luminosa e alla sua relativa efficacia per stimolare la melanopsina, la biochimica sensibile alla luce nelle cellule gangliari della retina

Regolazione neuroendocrina

Oltre alla capacità della luce di spostare la fase circadiana di vari ormoni umani, l’esposizione alla luce durante la notte biologica può anche ridurre in modo acuto gli alti livelli notturni di melatonina circolante, prodotta e secreta dalla ghiandola pineale. Sebbene vi siano sostanziali differenze interindividuali nei livelli assoluti di melatonina, la melatonina notturna è fortemente soppressa dalla luce intensa nella maggior parte degli individui (Arendt 2006; Bojkowski et al. 1987; Lewy et al. 1980; McIntyre et al. 1989).

Gli studi di laboratorio sulla soppressione della melatonina da parte della luce negli esseri umani comportano la raccolta di sangue, saliva o urina durante la notte, quando l’ormone aumenta tipicamente negli individui sani. Gli studi sull’uomo che utilizzano la risposta di soppressione acuta della melatonina come variabile primaria dipendente sono generalmente meno laboriosi e dispendiosi in termini di tempo rispetto ai protocolli richiesti per la valutazione dello sfasamento circadiano, consentendo progetti sperimentali all’interno dei soggetti più potenti e una maggiore replicazione all’interno e tra i laboratori.

Allerta

La luce ha anche proprietà di allerta acuta simili a quelle osservate dopo il consumo di caffeina (Wright et al. 1997). In particolare, è stato dimostrato che la luce riduce significativamente i tempi di reazione e i vuoti di attenzione, diminuisce la sonnolenza soggettiva, migliora la vigilanza e migliora le prestazioni su alcuni test neurocognitivi (Badia et al. 1991; Cajochen 2007; Cajochen et al. 2011; Rahman et al. 2014 Souman et al. 2018).

Studi di laboratorio suggeriscono che gli effetti di allerta della luce possono variare a seconda dell’ora del giorno, sebbene questa risposta sia stata ampiamente caratterizzata durante la notte (Rahman et al. 2014) e i miglioramenti nella vigilanza possono essere minimi negli individui ben riposati durante il giorno (Lok et al. 2018). È anche importante notare che non tutti gli studi hanno identificato un miglioramento coerente di tutte le misure di vigilanza e risposte neurocognitive (Rahman et al. 2017; Segal et al. 2016; Sletten et al. 2017; Souman et al. 2018). La vigilanza è più comunemente caratterizzata da misure di vigilanza soggettiva convalidate (ad es. Karolinska Sleepiness Scale, KSS, Akerstedt e Gillberg 1990) e dalla valutazione oggettiva dell’attenzione sostenuta (test di vigilanza psicomotoria, PVT, Dorrian et al. 2004).

Tali misure hanno il vantaggio di essere sensibili alla privazione del sonno con un’ampia letteratura per il confronto, sebbene la generalizzabilità a risultati più pratici sia dibattuta. Gli effetti di allerta e cognitivi della luce sono spesso di particolare interesse nel contesto delle istituzioni educative e dei luoghi di lavoro che cercano di migliorare le prestazioni. Le organizzazioni 24 ore su 24, in particolare, possono mirare a migliorare i livelli di allerta notturna dei dipendenti, riducendo così i tassi di errore e aumentando la sicurezza. Pochi studi, tuttavia, hanno testato i vantaggi in termini di allerta o prestazioni di soluzioni di illuminazione architettonica progettate intenzionalmente in relazione ai risultati operativi.

link di riferimento :https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/15502724.2021.1872383


Ulteriori informazioni:  Lauren E. Hartstein et al, Alta sensibilità della risposta alla soppressione della melatonina alla luce della sera nei bambini in età prescolare,  Journal of Pineal Research  (2022). DOI: 10.1111/jpi.12780

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