眠気と概日ダイナミクスに対する回転間隔が前方回転する3シフトシステムに対する影響

睡眠覚醒サイクルの生理学的にベースの数学モデルを使用して、シフト回転間隔（RI）（つまり、各シフトに費やされる日数）の眠気と前方回転の回転スケジュールの概日ダイナミクスの影響を調べます。平均シフトの眠気に対するスケジュール開始時間の影響も実証されていますが、RIの影響と比較して弱いです。ダイナミクスは、最も一般的な自然睡眠パターン（すなわち、0000〜0800の間の睡眠）と一致するように調整されたパラメーターセットと、一般的な光条件（つまり、350 Lux of Shift Lighting、200日光、100ルクスの人工照明夜間、および睡眠中の0ルクス）。回転スケジュールでの平均シフト眠気は、RIとともに増加し、中間RI = 6 dで最大に達し、その後減少することがわかります。スケジュール内のシフトへの完全なエントレインメントは、RI≤10dでは達成されません。ただし、概日振動は回転サイクルに同期し、Ri = 1,2 dおよびRi≥6Dが概日リズムの定期的な周期的な変化を示しています。急速な回転では、概日相はわずか4時間の間隔内にとどまりますが、ゆっくりと回転すると、概日相の24時間移行が続き、睡眠時間が絶えず遅れます。RI = 3-5 Dのスケジュールは、社会的コミットメントや休日などの外部の概日の乱れがない場合でも、概日リズムを導くことができません。回転シフトスケジュールのサーカディアンダイナミクスを理解するために、シフト応答マップが開発され、シフト開始時間と実際の概日相の関係に応じて、概日変化（すなわち、遅延または前進）の方向を示します。マップは、スケジュールのシフトでの進歩と遅延の動作の間の複数の遷移から、エプライドされていないダイナミクスが得られると予測しています。これらは主に、スケジュール内のさまざまなシフトタイプの遅延量と前進の間の不均衡によって引き起こされます。最後に、シフト応答マップは、希望の概日特性を持つシフトスケジュールの開発に役立つと主張されています。

A physiologically based mathematical model of sleep-wake cycles is used to examine the effects of shift rotation interval (RI) (i.e., the number of days spent on each shift) on sleepiness and circadian dynamics on forward rotating 3-shift schedules. The effects of the schedule start time on the mean shift sleepiness are also demonstrated but are weak compared to the effects of RI. The dynamics are studied for a parameter set adjusted to match a most common natural sleep pattern (i.e., sleep between 0000 and 0800) and for common light conditions (i.e., 350 lux of shift lighting, 200 lux of daylight, 100 lux of artificial lighting during nighttime, and 0 lux during sleep). Mean shift sleepiness on a rotating schedule is found to increase with RI, reach maximum at intermediate RI=6 d, and then decrease. Complete entrainment to shifts within the schedules is not achieved at RI≤10 d. However, circadian oscillations synchronize to the rotation cycles, with RI=1,2 d and RI≥6 d demonstrating regular periodic changes of the circadian rhythm. At rapid rotation, circadian phase stays within a small 4-h interval, whereas slow rotation leads to around-the-clock transitions of the circadian phase with constantly delayed sleep times. Schedules with RI=3-5 d are not able to entrain the circadian rhythms, even in the absence of external circadian disturbances like social commitments and days off. To understand the circadian dynamics on the rotating shift schedules, a shift response map is developed, showing the direction of circadian change (i.e., delay or advance) depending on the relation between the shift start time and actual circadian phase. The map predicts that the un-entrained dynamics come from multiple transitions between advance and delay behavior on the shifts in the schedules. These are primarily caused by the imbalance between the amount of delay and advance on the different shift types within the schedule. Finally, it is argued that shift response maps can aid in the development of shift schedules with desired circadian characteristics.