Promovendus Jeroen Schaap en zijn begeleider Joke Meijer van het Laboratorium voor Fysiologie van het LUMC hebben deze onderzoeksresultaten onlangs gepubliceerd in het European Journal of Neuroscience. De biologische klok van zoogdieren is gelokaliseerd in twee groepen van 10.000 zenuwcellen aan beide zijden van de hersenen vlak boven de kruising van de oogzenuw, zo vertelt Meijer.

‘Voor alle onderzochte zoogdieren zijn die zogeheten suprachiasmatische nuclei even groot, ongeveer een halve kubieke millimeter. Dat is opvallend, omdat de omvang van vrijwel alle andere structuren in de hersenen afhangt van de grootte van het organisme in kwestie. Blijkbaar zijn er niet meer dan twee groepen van 10.000 cellen vereist om een stabiel 24-uurs ritme te genereren, dat vervolgens wordt opgelegd aan de rest van het centraal zenuwstelsel en uiteindelijk aan de organen en weefsels in de periferie van het lichaam.’

Elektrische pulsen

In de cellen van de suprachiasmatische nuclei komen bepaalde genen tot expressie, die ertoe leiden dat de zenuwcellen elektrische pulsen afgeven naar aangrenzende cellen. De frequentie van de pulsen is overdag hoog en ’s nachts laag. Zo genereren de zenuwcellen een signaal dat de rest van het lichaam kan laten weten of het dag of nacht is. Dit is van belang voor het reguleren van de activiteit van verschillende hersengebieden en daarmee voor de afgifte van hormonen en neurotransmitters.

Er zijn nu negen genen in de cellen van de suprachiasmatische nuclei bekend die een bijdrage leveren aan het functioneren van de biologische klok. Bij een groep patiënten met het Advanced sleep phase syndrome – mensen die aan het eind van de middag in slaap vallen en midden in de nacht weer wakker worden – is een mutatie in één van deze negen genen vastgesteld. Als bij proefdieren een van de genen wordt geblokkeerd, dan raken de dieren hun dag-nachtritme kwijt.

De lengte van de cyclus is overigens niet precies 24 uur: bij dagdieren duurt de cyclus ongeveer een half uur langer, en bij nachtdieren een half uur korter. Schaap: ‘Als we iemand in een kamer plaatsen waarin geen omgevingsstimuli doordringen, dan ontwikkelt hij een ritme van 24,5 uur. We zien dat ook bij onszelf in het weekend. De meesten van ons zijn geneigd om in het weekend iets later naar bed te gaan dan op doordeweekse dagen, en ook later op te staan. Daarom hebben we het op maandagochtend vaak moeilijk. De verklaring voor het verschil tussen ochtendmensen en avondmensen ligt ook in de lengte van de cyclus van hun biologische klok. Ochtendmensen hebben een iets kortere cyclus. Hoe dan ook, bij niemand duurt de cyclus precies 24 uur, en daarom moet er een mechanisme zijn om de biologische klok iedere dag te synchroniseren.’

Grote nachtelijke onrust

Lange tijd is gedacht dat het synchroniseren van de klok alleen gebeurde aan de hand van de licht-donker situatie in de omgeving. Het gaat daarbij uitsluitend om het buitenlicht. Zelfs op een bewolkte dag is de lichtsterkte buiten al 5000 lux. In goed verlichte kamers komt de lichtsterkte binnen over het algemeen niet boven de 300 lux uit.

Meijer: ‘Dat realiseer je je niet omdat je ogen zich direct aanpassen aan de toegenomen lichtsterkte zodra je naar buiten gaat. De biologische klok reageert pas op een lichtsterkte vanaf 1000 lux. Vandaar dat mensen die weinig buiten komen vaak problemen hebben met het synchroniseren van hun biologische klok. Dat kan leiden tot verstoring van de slaapregulering. Dat zien we nog eens extra bij veroudering. De amplitude van het ritme neemt af en dit leidt tot grote nachtelijke onrust en slaapproblemen.’

Het is logisch dat de biologische klok niet reageert op lichtprikkels als het dag is. Pas op momenten dat het licht niet wordt verwacht gaat de klok verschuiven. Dit blijkt bijvoorbeeld als mensen een transatlantische vlucht maken, zodat ze worden blootgesteld aan zonlicht op het moment dat het voor hen fysiologisch nacht is. Als licht wordt aangeboden aan het begin van de nacht, dan verschuift de biologische klok naar achteren. En als licht midden in de fysiologische nacht wordt aangeboden, dan verschuift de klok naar voren.

Elektrode in een rat

De LUMC-fysiologen hebben onderzocht hoe het komt dat de klok ’s nachts wel en overdag niet reageert op licht. Ze hebben dat gedaan door de activiteit van de neuronen in de suprachiasmatische nuclei te meten met een elektrode die was geïmplanteerd in de hersenen van een rat. Deze rat werd in een kooi gehouden onder een 12:12 uur licht-donker regiem. Het bepalen van genoemde neuronenactiviteit is een bijzonder gevoelige maar ook moeilijke techniek, die buiten Leiden slechts in één ander laboratorium kan worden uitgevoerd (bij de University of Virginia, USA). Het belangrijkste probleem is het meten van een betekenisvol signaal dat boven de elektrische ruis van het meetsysteem uitkomt. In Leiden is de techniek zo verfijnd dat het zelfs mogelijk is de activiteit van één enkel neuron te meten terwijl het gedrag van het dier geobserveerd kan worden.

De rat in de kooi kreeg op gezette tijden lichtpulsen aangeboden met een sterkte die overeenkwam met die van buitenlicht. Meijer: ‘Als we overdag licht gaven, dan reageerden de neuronen daar nauwelijks op. Ze bleven in hun gewone ritme vuren. Maar aan het begin van de avond leidde blootstelling aan licht tot een sterkere respons in de vuurfrequentie van de neuronen. Midden in de nacht was de respons maximaal, en tegen de ochtend nam de respons op lichtpulsen weer af. Zo hebben we dus een fysiologische basis gevonden voor de waarneming dat de biologische klok alleen ’s nachts op licht kan reageren.’

Onderdrukking van vuurfrequentie

Terwijl Schaap en Meijer met deze experimenten bezig waren, stuitten ze op een nieuw verschijnsel: nadat het dier enige tijd in de tredmolen actief was geweest, leidde dat gedurende een half uur tot een zeer duidelijke onderdrukking van de vuurfrequentie van de neuronen in de suprachiasmatische nuclei. In het nu gepubliceerde artikel in het European Journal of Neuroscience laten de LUMC-onderzoekers zien dat dit effect alleen overdag plaatsvindt. Als de dieren ’s nachts actief zijn, heeft dat geen invloed op de vuurfrequentie van de neuronen. Verder blijkt het effect van lichamelijke activiteit overdag tegengesteld te zijn aan het effect van licht dat ’s nachts wordt aangeboden. Fysieke activiteit overdag leidt tot vermindering van de activiteit van de neuronen die de biologische klok aan de gang houden, terwijl het aanbieden van licht ’s nachts leidt tot een verhoging van de activiteit van de neuronen.

Schaap: ‘Als onze onderzoeksresultaten ook van toepassing zijn op mensen, dan zou dat betekenen dat we niet alleen de biologische klok kunnen bijstellen door mensen bloot te stellen aan daglicht op een tijdstip dat het voor hen fysiologisch nacht is, maar ook door ze overdag een hoeveelheid fysieke activiteit te laten uitvoeren. Dit type onderzoek is van groot belang voor een beter begrip van de regulering van de biologische klok. Ik denk daarbij niet alleen aan mensen die transatlantische vluchten maken, maar ook aan bewoners van zorgcentra, aan mensen die in ploegendienst werken, en aan de behandeling van mensen met slaapproblemen en sommige vormen van depressie.’