Project

Discipline

Circadian; Homeostatic; Ageing; Cognition; fMRI; circadian clock; homeostatic sleep-wake regulation; functional magnetic resonance imaging; aging

Lead
Lay summary
Wichtigstes Ziel dieser Studie ist es, den Einfluss der inneren Uhr und des Schlafdruckes auf die zerebralen Korrelate kognitiver Leistungsfähigkeit bei gesunden jungen und älteren Probanden zu erheben. Die innere Uhr des Menschen sorgt dafür, dass die täglichen Schwankungen verschiedener Körperrhythmen (z.B. Hormone, Müdigkeit, Leistungsfähigkeit) mit dem Rhythmus des Tag-Nacht Wechsels synchronisiert bleiben. Die Periodik der inneren Uhr beträgt beim Menschen ungefähr 24 Stunden. Gleichzeitig nimmt die Schlafbereitschaft (Schlafdruck) während des Wachseins kontinuierlich zu. Die Stärke dieses Schlafdruckes spüren wir vor allem dann, wenn wir lange Zeit wach bleiben wollen. Die Qualität des Schlafes und der Leistungsfähigkeit während des Wachseins hängt erheblich von diesen zwei Faktoren ab. Im Alter verändert sich der Aufbau der Schlafbereitschaft und die Stärke des von der inneren Uhr gesendeten Wachsignals. Wie und auf welcher Ebene die innere Uhr und der Schlafdruck zusammen arbeiten um die Leistungsfähigkeit ja nach Tageszeitpunkt zu begutachten ist jedoch noch unklar. Das Ziel dieser Studie ist, Einflüsse der inneren Uhr und der Schlaf-Wachhomöostase auf die zerebralen Korrelate kognitiver Leistungsfähigkeit bei gesunden jungen und älteren Probanden zu untersuchen. Die zerebralen Korrelate kognitiver Leistungsfähigkeit werden anhand funktioneller Kernspintomographie ermittelt. Diese Messungen werden regelmässig an verschiedenen Tageszeitpunkten und unter verschiedenen Schlafdruckniveaus erhoben. Im Langtagprotokoll wird die "Tageslänge" auf 40 Stunden ausgedehnt werden, während im Kurztagprotokoll viele kurze Nickerchen geplant sind. Dieses Projekt soll dazu beitragen, die zerebralen Mechanismen, die der tageszeitabhängigen Variation unserer kognitiven Leistungsfähigkeit unterliegen weiterhin zu entschlüsseln. Zudem können wir den Einfluss des Altersprozesses auf diese Parameter testen. Diese Frage erscheint von entscheidender Bedeutung, wenn man bedenkt, dass wir immer älter werden und in unserer Gesellschaft etwa ein Fünftel aller Arbeitnehmer in irgendeiner Form von Schichtarbeitarbeit engagiert sind.

Direct link to Lay Summary

Last update: 21.02.2013

Active participation

Title	Year

Number	Title	Start	Funding scheme

1.Summary of the research project1.1. Background: The circadian and homeostatic sleep-wake regulatory processes interact in a fined tuned manner to modulate human cognitive performance. However, the cerebral mechanisms that underlie this complex interplay remain largely unknown. In a recent neuroimaging approach, we observed that homeostatic sleep-wake processes impact on brain activity in areas implicated in the circadian regulation (i.e. anterior hypothalamus, locus coeruleus). Therefore, we have strong evidence that the circadian and homeostatic interaction directly impinges on cortical activity underlying human sleep-wake behavior. While we could unravel how this complex interplay of circadian and homeostatic processes impact upon brain activity in young individuals, it is still completely unknown what might take place with aging. Ample evidence favors an age-dependent dampening of circadian rhythms and the circadian alertness signal together with less pronounced influence of the homeostatic sleep pressure on neurobehavioral performance, such as sustained attention. Given these prominent age-related changes, the next logical question arises as to which are the cerebral correlates underlying circadian- and homeostatic-related time-of-day modulations on cognition with advanced age.1.2. General aim: To investigate the cerebral mechanisms underlying the influence of age-related changes in circadian and homeostatic processes on cognition. 1.3. Specific aims: (1) Arousal promoting brain centres (thalamic, brainstem locus coeruleus, hypothalamic regions) will exhibit higher activity profiles during the circadian wake as compared to the circadian sleep promoting part of the 24-hour cycle. (2) A reduced circadian amplitude results in less time-of-day differences with advanced age in arousal promoting brain centres. (3) The circadian alerting signal on task-related brain activity is weaker under high than low sleep pressure. (4) The impact of homeostatic sleep pressure onto circadian wake promoting brain centres and their influence on the entire cortex shows age-related dampening.1.4. Experimental design/methods: We propose a functional neuroimaging approach (fMRI) to quantify task-related BOLD activity in a cohort of healthy young and old volunteers at very specific time points within the 24-hour cycle. Cognitive domains ranging from sustained attention to higher order executive aspects of attention will be investigated. During a protocol in which the sleep homeostat will be challenged by either an extension (high sleep pressure by sleep deprivation) or a reduction of prior wakefulness (low sleep pressure by interpolated naps), we will focus on the time window in the subjective evening hours which encompasses maximal circadian drive for wake as well as the time window in the subjective morning hours surrounding the maximal circadian drive for sleep.1.5. Potential value of the project: This pioneering combination of a chronobiological fMRI approach will help to disentangle the cerebral mechanisms underlying time-of-day fluctuations in higher order cognitive behaviors and its age-dependency. This question appears crucial when considering that in our current social context approximately one fifth of all employees are engaged in some form of work that requires timings outside the “standard“ 7am to 6pm working day. Furthermore, to understand the contribution of deteriorated circadian arousal promotion at the cerebral level and its detrimental effects on sleep and wakefulness frequently encountered in healthy ageing is decisive in our aging society.