Entrainment (chronobiology)

In the study of chronobiology, entrainment refers to the synchronization of a biological clock to an environmental cycle. An example is the interaction between circadian rhythms and environmental cues, such as light and temperature. Entrainment helps organisms adapt their bodily processes according to the timing of a changing environment.^[1] For example, entrainment is manifested during travel between time zones, hence why humans experience jet lag.

Biological rhythms are endogenous; they persist even in the absence of environmental cues as they are driven by an internal mechanism, most notably the circadian clock. Of the several possible cues (known as zeitgebers, German for 'time-givers') that can contribute to entrainment of the circadian clock, light has the greatest impact.^[2][3] Units of circadian time (CT) are used to describe entrainment to refer to the relationship between the rhythm and the light signal/pulse.^[4]

There are two general modes of entrainment: phasic and continuous. The phasic mode is when there is limited interaction with the environment to "reset" the clock every day by the amount equal to the "error", which is the difference between the environmental cycle and the organism's circadian rhythm. Exposure to certain environmental stimuli will cause a phase shift, an abrupt change in the timing of the rhythm. The continuous mode is when the circadian rhythm is continuously adjusted by the environment, usually by constant light. Two properties, the free-running period of an organism, and the phase response curve, are the main pieces of information needed to investigate individual entrainment. There are also limits to entrainment. Although there may be individual differences in this limit, most organisms have a +/- 3 hours limit of entrainment.^[5] Due to this limit, it may take several days for re-entrainment.^[6]

تُعد دورة النشاط/الراحة (النوم) لدى الحيوانات إحدى الإيقاعات اليومية التي تتزامن عادةً مع المؤثرات البيئية. في الثدييات، تُولَّد هذه الإيقاعات الداخلية بواسطة النواة فوق التصالبة (SCN) في منطقة ما تحت المهاد الأمامية . ويتم التزامن عن طريق تغيير تركيز مكونات الساعة البيولوجية من خلال تغيير التعبير الجيني واستقرار البروتين. ^{[ 7 ]}

تحدث التذبذبات اليومية حتى في خلايا الأعضاء المعزولة كالكبد والقلب كمذبذبات طرفية ، ويُعتقد أنها تتزامن مع منظم ضربات القلب الرئيسي في دماغ الثدييات، وهو النواة فوق التصالبية (SCN). ولا تقتصر العلاقات الهرمية على هذه العلاقات فقط، فقد يقترن مذبذبان أو أكثر ليتخذا نفس الفترة الزمنية دون أن يهيمن أحدهما على الآخر. يشبه هذا الوضع عمل ساعات البندول . ^{[ 8 ]}

عندما لا تكون عادات النوم الصحية كافية، قد يؤدي عدم توافق الشخص مع الليل والنهار إلى عواقب صحية. يوجد بعض التباين في تزامن النمط الزمني الطبيعي ؛ فمن الطبيعي أن يستيقظ الإنسان في أي وقت بين الساعة الخامسة والتاسعة صباحًا تقريبًا. مع ذلك، فإن المرضى الذين يعانون من اضطراب طور التأخر في النوم ، واضطراب طور الاستجابة الاجتماعية ، واضطراب النوم والاستيقاظ غير المنتظم (غير المتوافق مع دورة 24 ساعة) لا يتزامنون بشكل صحيح مع الضوء والظلام. ^{[ 9 ]}

يُستخدم التزامن في مجالات متنوعة لتحسين الأداء والصحة. ففي الرياضة، يساعد الرياضيين على التكيف السريع مع المناطق الزمنية الجديدة. وفي الطب، يُستخدم العلاج الضوئي لعلاج اضطرابات الساعة البيولوجية. ^{[ 10 ]} كما تُطبَّق مبادئ التزامن في الصحة المهنية لتصميم جداول عمل أفضل بنظام المناوبات.

• الحيوانات الشفقية - الحيوانات النشطة عند الغسق (أي عند الغسق والفجر).
• النشاط النهاري – الحيوانات التي تنشط خلال النهار وتنام في الليل.
• النشاط الليلي – نشاط الحيوانات المتمثل في النوم أثناء النهار والنشاط في الليل.

• Pittendrigh CS (1981) Circadian systems: Entrainment. In Handbook Behavioral Neurobiology, Vol. 4. Biological Rhythms, J. Aschoff, ed. pp. 239–68, University of California Press, New York.