Circadian timing does not modulate human temporal contrast sensitivity

Unter Verwendung eines 40-Stunden-forced-desynchrony-Protokolls zur Trennung zirkadianer und homöostatischer Einflüsse ergab diese Studie keine Hinweise darauf, dass der zirkadiane Taktgeber die zeitliche Kontrastempfindlichkeit des menschlichen Zapfensystems moduliert, was nahelegt, dass zuvor berichtete Tageszeiteffekte wahrscheinlich auf andere Faktoren wie Schlaf-Wach-Zyklen oder Pupillenveränderungen zurückzuführen sind.

Das Wesentliche

Stellen Sie sich vor, Ihr Körper verfügt über eine innere Meisteruhr, ähnlich einem Dirigenten in einem Orchester, der Ihren Organen sagt, wann sie aufwachen, wann sie schlafen und wann sie scharf sein sollen. Wissenschaftler haben sich lange gefragt, ob dieser Dirigent auch Ihren Augen sagt, wann sie im Laufe des Tages besser oder schlechter sehen sollen. Einige frühere Studien legten nahe, dass Ihre Fähigkeit, sich bewegende Muster oder Farben zu erkennen, je nach Tageszeit „aus dem Takt geraten" könnte, ähnlich wie ein Musiker um 8 Uhr morgens etwas anders spielt als um 8 Uhr abends.

Um die wahre Antwort zu finden, entschieden sich die Forscher in dieser Studie für ein sehr strenges Experiment. Sie wollten die „Tageszeit" (zirkadianer Rhythmus) vom „Zeitpunkt seit dem Aufwachen" (Schlafdruck) trennen. Normalerweise sind diese beiden Faktoren miteinander verflochten: Wenn es 3 Uhr morgens ist, befinden Sie sich sowohl mitten im nächtlichen Zyklus Ihres Körpers als auch seit langer Zeit wach. Es ist schwer zu sagen, welcher von beiden Ihr Sehvermögen verschwommen macht.

Das Experiment: Eine kaputte Uhr
Um diesen Knoten zu lösen, verwendeten die Forscher einen cleveren Trick, das sogenannte „erzwungene Desynchronisations"-Protokoll. Sie brachten 12 Freiwillige in einen Raum mit konstantem Licht und ohne Uhren. Anstatt auf einem normalen 24-Stunden-Tag zu leben, lebten die Freiwilligen in einem seltsamen, kurzen 3,75-Stunden-Zyklus. Sie blieben 2,5 Stunden wach, schliefen 1,25 Stunden und wiederholten dies.

Da ihr Tag so kurz war, konnte ihre innere Körperuhr (die auf einem natürlichen 24-Stunden-Rhythmus läuft) nicht mithalten. Im Laufe der Zeit drifteten ihre innere „Nacht" und ihr innerer „Tag" durch jede Stunde der tatsächlichen Uhrzeit. Das bedeutete, dass ein Teilnehmer zu einem bestimmten Zeitpunkt während der „Mitternacht" seines Körpers getestet wurde, während es draußen tatsächlich „Mittag" war, und umgekehrt. Dies ermöglichte es den Wissenschaftlern, das Sehvermögen zu jeder einzelnen Stunde des Körperzyklus zu testen, völlig unabhängig davon, wie müde die Person tatsächlich war.

Der Test: Das flackernde Licht
Während ihrer Wachphasen spielten die Freiwillige ein visuelles Spiel. Sie schauten auf Bildschirme, auf denen Lichter mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten flackerten oder die Farbe wechselten (2-mal pro Sekunde und 8-mal pro Sekunde). Die Forscher überprüften zwei Dinge:

1. Helligkeit: Konnten sie das Flackern in Schwarz-Weiß sehen?
2. Farbe: Konnten sie das Flackern in Rot-Grün oder Blau-Gelb sehen?

Sie überprüften auch die Körper der Freiwilligen, indem sie ihren Speichel auf Melatonin (das „Schlafhormon") testeten, um genau zu wissen, wo sich ihre innere Uhr zu jedem gegebenen Moment befand.

Das Ergebnis: Die Uhr steuert die Augen nicht
Die Wissenschaftler verwendeten fortgeschrittene Mathematik, um zwei Ideen zu vergleichen:

• Idee A: Ihr Sehvermögen ändert sich rhythmisch mit Ihrer inneren Uhr (wie eine Ebbe und Flut).
• Idee B: Ihr Sehvermögen bleibt unabhängig von der Position der inneren Uhr gleich.

Die Daten waren sehr klar: Idee B gewann. Die Studie fand keine Hinweise darauf, dass Ihre innere Körperuhr beeinflusst, wie gut Sie sich bewegende Lichter oder Farben sehen. Ob Ihr Körper dachte, es sei 2 Uhr morgens oder 2 Uhr nachmittags, Ihre Fähigkeit, diese Flackern zu erkennen, blieb konstant.

Was bedeutet das?
Wenn Ihr Sehvermögen nachts schlechter erscheint, liegt es wahrscheinlich nicht daran, dass Ihre innere Uhr Ihren Augen sagte, sie sollen „abschalten". Stattdessen schlägt die Studie vor, dass frühere Studien durch andere Faktoren verwirrt worden sein könnten, wie zum Beispiel:

• Müdigkeit: Einfach nur müde zu sein (homöostatischer Druck) lässt Sie schlechter sehen, unabhängig von der Uhrzeit.
• Pupillen: Ihre Pupillen könnten je nach Tageszeit größer oder kleiner werden, was verändert, wie viel Licht auf Ihr Auge trifft.
• Andere Systeme: Vielleicht sind die Teile Ihres Gehirns, die das Sehen verarbeiten, nicht diejenigen, die von der Meisteruhr gesteuert werden.

Das Fazit
Stellen Sie sich Ihre innere Uhr als Manager vor, der Besprechungen und Mahlzeiten plant. Diese Studie zeigt, dass dieser Manager Ihren Augen nicht sagt, wann sie sich öffnen oder schließen sollen. Wenn sich Ihr Sehvermögen im Laufe des Tages ändert, liegt dies wahrscheinlich daran, dass Sie müde sind oder Ihre Pupillen auf Licht reagieren, und nicht daran, dass Ihre „biologische Zeit" Ihren Augen sagt, eine Pause zu machen.

Technische Zusammenfassung

Problem
Frühere Untersuchungen haben das Vorhandensein von tageszeitlichen Schwankungen in der Farbwahrnehmung und der Kontrastempfindlichkeit für Helligkeitshelligkeit nachgewiesen, was darauf hindeutet, dass der circadiane Schrittmacher die visuelle Verarbeitung modulieren könnte. Der Umfang, in dem die circadiane Timing spezifisch die von Zapfen vermittelte zeitliche Kontrastempfindlichkeit beeinflusst, bleibt jedoch unklar, da frühere Befunde möglicherweise durch homöostatische Schlaf-Wach-Drucke oder andere Umweltfaktoren verfälscht wurden. Diese Studie zielt darauf ab, zu klären, ob Tageszeiteffekte auf die visuelle Leistung tatsächlich vom circadianen System angetrieben werden.

Methodik
Um circadiane und homöostatische Einflüsse zu trennen, wandten die Forscher ein 40-stündiges Protokoll zur erzwungenen Desynchronisation mit zwölf Teilnehmern (5 Frauen, mittleres Alter 24,4 ± 2,9 Jahre) an. Unter konstanten Umweltbedingungen folgten die Teilnehmer einem sich wiederholenden 3,75-Stunden-Zyklus, bestehend aus 2 Stunden und 30 Minuten Wachheit und 1 Stunde und 15 Minuten Schlaf. Dieses Protokoll trennte die interne circadiane Phase effektiv vom externen Schlaf-Wach-Zyklus.

Die circadiane Phase wurde präzise mittels 46 pro Teilnehmer gesammelten Speichel-Melatonin-Proben bestimmt. Während der Wachphasen führten die Teilnehmer Aufgaben zur zeitlichen Kontrastempfindlichkeit bei 2 Hz und 8 Hz durch. Diese Aufgaben untersuchten sowohl luminante (L+M+S) als auch chromatische (L-M und S-Zapfen-gerichtete) Modulationen. Um eine circadiane Modulation zu testen, verglich die Studie mehrstufige Cosinor-Modelle mit uninformative Bayes'sche Modelle, um das Vorhandensein rhythmischer Variationen zu bewerten.

Hauptbeiträge und Ergebnisse
Die Studie etablierte erfolgreich robuste Melatonin-Rhythmen bei allen Teilnehmern mit einer mittleren freien Periodenlänge ($\tau$) von 24,18 ± 0,39 Stunden. Das Hauptergebnis, abgeleitet aus der Bayes'schen Inferenz, lieferte entscheidende Beweise gegen das Vorhandensein einer circadianen Variation entweder der luminanten oder der chromatischen Kontrastempfindlichkeit. Insbesondere stützten die Daten keine nahezu 24-stündige Modulation der von Zapfen vermittelten zeitlichen Kontrastempfindlichkeit.

Bedeutung
Die Studie kommt zu dem Schluss, dass innerhalb der Grenzen dieses kontrollierten Protokolls die circadiane Timing die menschliche zeitliche Kontrastempfindlichkeit nicht moduliert. Die Autoren schlagen vor, dass zuvor berichtete Tageszeiteffekte in der visuellen Leistung wahrscheinlich homöostatische Einflüsse, pupillenbezogene Veränderungen der retinalen Beleuchtungsstärke oder Mechanismen widerspiegeln, die außerhalb der in dieser Studie untersuchten spezifischen zapfenvermittelten Pfade wirken. Die Bedeutung dieser Arbeit liegt in ihrer Fähigkeit, die circadiane Phase von schlaf-wach-bezogenen Einflüssen zu trennen und damit die Grenzen zu klären, innerhalb derer eine circadiane Modulation der visuellen Leistung abgeleitet werden kann.