Ritmo circadiano: cos'è e come influenza la nostra vita

Il ritmo circadiano è quel meccanismo che gli organismi viventi hanno sviluppato per sincronizzare il loro comportamento e le loro funzioni fisiologiche con il ciclo quotidiano di luminosità e oscurità causato dalla rotazione della terra.

Nel nostro organismo moltissime attività biologiche funzionano quotidianamente seguendo questo ritmo che è una sorta di orologio biologico dal periodo di circa 24 ore, spesso regolato dall’alternanza luce-buio dell’ambiente esterno.

Il termine “circadiano” viene dal latino circa diem e significa appunto “intorno al giorno”.

Influenza del ritmo circadiano sulla nostra vita

Il ritmo circadiano è un complesso sistema interno che permette di controllare:

• cambiamenti fisici, mentali e comportamentali, come ad esempio il rimo sonno-veglia,
• l’alimentazione,
• la pressione arteriosa,
• la frequenza cardiaca,
• la temperatura corporea,
• la crescita dei capelli,
• la produzione di numerosi ormoni e neurotrasmettitori.

Il ritmo circadiano si mantiene sincronizzato con il ciclo naturale del giorno e della notte mediante stimoli naturali come la luce solare e la temperatura ambientale ma anche stimoli di natura sociale (per esempio il pranzo e la cena sempre alla stessa ora).

In assenza di questi stimoli sincronizzatori i ritmi continuano ad essere presenti, ma il loro periodo può avere durata maggiore o minore (per esempio il ciclo veglia-sonno tende ad allungarsi anche fino a 36 ore).

Cenni storici

I primi cicli circadiani sono stati osservati nelle piante nel Settecento, ma solo nel secolo scorso lo studio dei ritmi circadiani è stato esteso anche agli esseri umani.

Franz Halberg dell’università del Minnesota, uno dei padri della cronobiologia moderna, coniò il termine “circadiano”.

Nel corso degli anni la cronobiologia, branca della biologia che studia i fenomeni periodici (ciclici) negli organismi viventi e il loro adattamento ai ritmi biologici, ha manifestato un enorme sviluppo. Tanto che nel 2017 il Nobel per la Medicina è stato assegnato a tre genetisti cronobiologici – Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash e Michael W. Young – proprio per i loro studi sui meccanismi molecolari che regolano il ritmo circadiano.

Come funziona il ritmo circadiano?

Il ritmo circadiano è regolamentato dal nucleo sovrachiasmatico (SCN), un gruppo definito di neuroni situati nell’ipotalamo del cervello che riescono a “generare ritmi” (attività pace-maker).

Ricordiamo che l’ipotalamo è la sede dell’orologio biologico principale (masterclock).

Queste cellule, tramite specifici recettori posti sulla retina (fotorecettori), rispondono ai segnali di luci e ombre provenienti dall’ambiente circostante, che raggiungono il cervello attraverso il nervo ottico.

Gli stimoli luminosi attivano quindi il nucleo sovrachiasmatico che, a sua volta, è in grado di inviare segnali ad altre parti del sistema nervoso centrale per regolamentare gli ormoni, le temperature corporee ed altre attività biologiche che seguono il ritmo circadiano.

Le cellule ganglionari della retina – intrinsecamente fotosensibili – contengono un fotopigmento chiamato melanopsina, che, attraverso il tratto retinoipotalamico, attiva il SCN.
Quest’ultimo, tramite altre proiezioni, regola la produzione di ormoni quali melatonina o glucocorticoidi, i quali influenzano ad esempio lo stato di sonno o veglia.

Gli stimoli ambientali, e in particolare la luce del sole, agiscono sull’orologio sincronizzandolo ogni mattino con il mondo esterno.

Relazione tra luce e ciclo circadiano

Soggetti sperimentali tenuti in totale oscurità per lunghi periodi e mantenuti in una situazione di cosiddetto “free-running” manifestano ritmi circadiani che si regolano liberamente, con cicli di sonno che possono avanzare (essere cioè superiore a 24 ore) o regredire (essere inferiore a 24 ore) a seconda che il loro periodo endogeno sia più lungo o più corto di 24 ore.

Gli stimoli ambientali che ogni giorno reimpostano i ritmi sono chiamati Zeitgebers (letteralmente “donatori di tempo”) e la luce è l’esempio più tipico di Zeitgeber.

La luce diurna è difatti in grado di regolare la maggior parte delle dinamiche biologiche interne, attraverso l’attivazione di quattro geni, chiamati Chryptochrome, Period, Clock e Bmal1.

Questi geni interagiscono in maniera complessa tra di loro, producendo proteine che a loro volta sono in grado di attivare altri geni all’interno di ogni cellula e di presiedere alle diverse funzioni vitali dallo stimolo della fame al sonno.

La ghiandola pineale (chiamata anche epifisi) è una piccola ghiandola endocrina situata alla base del cranio che ha un ruolo fondamentale all’interno del ritmo ciclo circadiano: è infatti in grado di produrre la melatonina, l’ormone che regola il ritmo sonno-veglia.

La sua secrezione è strettamente legata alla luce: infatti, lo stimolo luminoso viene trasmesso all’epifisi che inibisce la produzione di melatonina. Il buio, viceversa, ne stimola il rilascio, favorendo il sonno.

A ciascun organo il proprio orologio

Nell’arco della giornata, ogni organo viene attivato o disinibito da questi geni clock, raggiungendo il proprio picco di massima attività in una fase precisa a cui corrisponde specularmente una fase di riposo.

Ciascun organo, infatti, segue un proprio orologio e può dare informazioni agli organi vicini: in questo caso si parla di orologi “periferici” in stretto legame con l’orologio biologico centrale o masterclock, situato nell’ipotalamo.

L’orologio biologico quindi, attivando numerosissimi organi, è in grado di “armonizzare” l’organismo con l’ambiente circostante.

I geni clock ad esempio sono coinvolti anche nella regolazione della proliferazione cellulare, e questo può avere importanti implicazioni per la genesi dei tumori e per le terapie oncologiche.

Fasi del ritmo circadiano

Normalmente il ritmo circadiano di 24 ore è distinto in differenti fasi, ciascuna di circa 3-4 ore.

Mattino

Tra le 3 e le 6 la temperatura corporea è ai livelli più bassi e i livelli di melatonina iniziano a diminuire, così da preparare la riattivazione di numerose altre attività biologiche.

Dopo le 6, quando il corpo inizia a risvegliarsi, i livelli di cortisolo aumentano, la melatonina è ormai scomparsa e si attiva lo stato di veglia.

Tra le 9 e le 12 il cortisolo raggiunge il suo picco e la temperatura corporea tende a risalire. Anche le altre principali funzioni fisiche e cognitive sono al massimo della loro attivazione.

Pomeriggio

Tra le 12 e le 15 abbiamo una “finestra” in cui fisiologicamente il corpo tende a provare un senso di sonnolenza e stanchezza.

In parte questo dipende dall’attività digestiva e dalla riduzione della produzione dell’orexina, ormone prodotto dall’ipotalamo e coinvolto nel mantenimento del normale stato di veglia, secondario agli alti livelli di glucosio presenti nel sangue dopo il pasto.

Dopo le 15 si ha un aumento della temperatura corporea e una maggiore attivazione dei ritmi cardiaci e polmonari (aumenta ad esempio la pressione arteriosa).  Si tratta quindi del momento migliore della giornata per dedicarsi all’attività fisica, dal momento che anche i muscoli sono più tonici e attivi.

Dopo le 18 la maggior parte delle attività dell’organismo iniziano a rallentare.

Sera

Dopo le 21 la ghiandola pineale, anche in relazione ad una minore stimolazione luminosa della retina, inizia a produrre la melatonina che ha il fondamentale ruolo di facilitare l’addormentamento e il sonno.

Parallelamente, la temperatura corporea e la frequenza cardiaca iniziano a scendere.

È sconsigliabile quindi fare sport dopo cena o esporsi eccessivamente alla cosiddetta luce “blu” di smartphone, tablet e computer che interviene sulla produzione dell’ormone del sonno.

Notte

Durante la notte livelli di melatonina si mantengono elevati, garantendo così un sonno profondo e riposante.

Influenza del ciclo circadiano sull’alimentazione

L’alimentazione è strettamente correlata con il ritmo circadiano.

Anche il microbiota intestinale infatti possiede un orologio biologico e segue un proprio ritmo.
La sincronizzazione con il ciclo circadiano è legata al segnale indotto dal consumo dei pasti, che è massimo nelle fasi della colazione e del pranzo, mentre diminuisce verso sera.

Questo è il motivo per cui si raccomanda sempre di alleggerire il carico energetico serale con un pasto nutriente ma leggero.

Di giorno il corpo umano è maggiormente predisposto a consumare le calorie poiché vengono liberati gli ormoni del catabolismo.
In questo momento della giornata a regolare il nostro appetito sono gli ormoni grelina, leptina, insulina e altri segnali neuronali.

Nel tardo pomeriggio nel nostro corpo iniziano ad aumentare le molecole dell’anabolismo, quelli cioè che favoriscono l’accumulo.

È quindi preferibile consumare entro le 21 una cena nutriente ma leggera per facilitare la digestione e l’addormentamento.

Infine, durante la sera-notte, viene liberato l’ormone della crescita, che permette il recupero muscolare.

L’alimentazione risulta quindi essere strettamente correlata ai ritmi circadiani e al rilascio di ormoni cruciali per il metabolismo.

L’obesità può essere causata da disturbi dei ritmo circadiano?

Decidere quali alimenti mangiare e in quale momento assumerli è decisivo per l’accumulo o la mobilizzazione del grasso e per influire sull’efficacia dei trattamenti dimagranti, come evidenzia uno studio condotto su 420 soggetti obesi.

I risultati hanno mostrato che chi pranzava tardi, dopo le 15:00, perdeva meno peso durante il trattamento rispetto a chi mangiava presto, prima delle 15:00.

È noto inoltre che molti disturbi del sonno possono facilitare lo sviluppo di obesità.

Un sonno disturbato o di durata ridotta può influenzare l’aumento di peso e di grasso corporeo, in particolare del grasso viscerale, associato ad un maggior rischio di malattie cardiovascolari e diabete.

Questo fenomeno riguarda sia gli adulti sia i bambini. Anzi, proprio questi ultimi sono maggiormente esposti a questo rischio.

In presenza di disturbi del ritmo circadiano, anche la produzione circadiana di numerosi ormoni, quali l’insulina, la leptina, la grelina, il cortisolo etc non rispetta più il regolare ciclo di 24 ore, portando così ad un maggior rischio di obesità.

Orologio biologico e sistema cardiovascolare

Anche il sistema cardiovascolare è strettamente influenzato dal nostro orologio biologico. E’ noto infatti che la pressione arteriosa tende ad essere massima durante il giorno (in particolare nelle ore serali?) e minima durante la notte.

Un’alterazione del normale ritmo sonno-veglia può determinare di conseguenza una alterata produzione di cortisolo, portando quindi ad un aumento della frequenza cardiaca. Questa condizione a sua volta può condurre all’insorgenza di disturbi dell’apparato cardiovascolare.

Una riduzione del tempo di sonno, la frammentazione del sonno a causa delle apnee notturne (osas) o disturbi del ritmo circadiano possono favorire l’insorgenza di ipertensione arteriosa.

Un ridotto calo notturno nella pressione arteriosa, caratteristico degli individui detti “non dippers”, si associa a un maggior rischio di danno d’organo, ossia di complicazioni a livello di rene, cuore e retina, che sono classici bersagli dell’ipertensione.

Il cronotipo

I ritmi circadiani hanno variazioni individuali che dipendono da variazioni alleliche dei geni dell’orologio biologico che vengono ereditate secondo le leggi della genetica.

Normalmente i soggetti presentano un ritmo sonno-veglia distribuito su 24 ore.

Il cronotipo, cioè la predisposizione a svolgere attività quotidiane in un particolare momento della giornata, tende ad essere normale quando il soggetto si addormenta tra le 22 e le 24, risvegliandosi circa 7 ore dopo.

Si parla di “allodola” o cronotipo mattutino quando il soggetto tende ad addormentarsi prima ed essere più produttivo al mattino; il “gufo” o cronotipo serotino è invece più attivo alla sera e tende quindi a coricarsi tardi.

Disturbi del ritmo circadiano

La desincronizzazione tra i ritmi sonno-veglia interni e il normale ciclo luce-buio può causare disturbi del sonno noti come disturbi del ritmo circadiano.

In alcuni casi il ritmo circadiano rimane di 24 ore ma esistono anche dei disordini caratterizzati da ritmi circadiani più lunghi o più corti delle 24 ore.

Questi disordini, in accordo con la classificazione internazionale dei disturbi del sonno (ICSD 3rd edition, 2014), includono:

• Disordine in ritardo di fase di sonno (DSP o sindrome della fase del sonno ritardata): i pazienti si coricano e si svegliano tardi. Questo quadro è più comune durante l’adolescenza.

• Disordine avanzato di fase di sonno (ASP o sindrome da fase di sonno anticipata): più comune nei soggetti più anziani. Solitamente i pazienti si coricano e si svegliano presto.

• Ritmo irregolare di sonno-risveglio: comprende un ciclo irregolare di sonno, associato spesso a numerosi sonnellini diurni. E’ spesso collegato alla privazione di sonno e di insonnia.

• Tipo non sincronizzato: molto meno comune, questa sindrome è caratterizzata da un ritmo sonno-veglia caotico. Il ciclo sonno-veglia rimane generalmente costante di lunghezza, ma è superiore alle 24 ore, determinando un ritardo dei tempi di sonno e veglia da una a due ore ogni giorno. Questo disturbo è più diffuso tra le persone non vedenti.

• Disordine del lavoro a turni (sindrome del turnista): è secondario all’alterazione del normale ritmo da parte dei turni di lavoro. I pazienti possono lamentare insonnia, eccessiva sonnolenza diurna e difficoltà a recuperare un normale ritmo sonno-veglia.

• Disordine del jet lag (sindrome da jet lag): è causato da un rapido viaggio attraverso più di due fusi orari

Cura dei disturbi del ritmo circadiano

Il trattamento dei disturbi del ritmo circadiano richiede una corretta valutazione del ritmo circadiano del soggetto. Questo può essere analizzato sia attraverso un’intervista medica sia con l’utilizzo dei diari del sonno o di esami strumentali, come l’actigrafia.

Fondamentale è seguire una corretta igiene del sonno. Nel disturbo di fase di sonno è possibile utilizzare sia la melatonina sia la luminoterapia.

La melatonina può ad esempio essere assunta almeno 4-5 ore prima di coricarsi nei pazienti con disturbo ritardato di fase.

La luminoterapia invece consiste nell’utilizzare delle specifiche fonti di luce in grado di attivare, senza danneggiarli, i recettori posti sulla retina, permettendo quindi una risincronizzazione dei ritmi circadiani.

Nei soggetti con fase avanzata l’utilizzo della luminoterapia (solitamente utilizzando fonti di luce a 10.000 Lux) al mattino permette di anticipare progressivamente gli orari di risveglio.
Nel caso della fase anticipata è consigliabile utilizzare la luce verso sera, per cercare invece di posticipare gli orari di addormentamento.

Nel disturbo del jet-lag i viaggiatori dovrebbero spostare gradualmente il ciclo di sonno-veglia prima di viaggiare per cercare di avvicinarsi all’orario della loro destinazione. Dopo l’arrivo nella nuova località, dovrebbero invece massimizzare l’esposizione alla luce solare durante il giorno.

In alcuni casi, per regolarizzare il ritmo sonno-veglia, possono essere usati per un breve periodo dopo l’arrivo anche la melatonina o farmaci ipnoinduttori a breve emivita.

Ritmo circadiano: Test

Per stimare il proprio ritmo circadiano esistono alcuni test che valutano sia le variazioni della temperatura corporea sia il dosaggio della melatonina (ematica, urinaria o salivare). Alcuni di questi vengono eseguiti solo a scopo di ricerca.

Un test del ritmo circadiano efficace e poco invasivo è il dosaggio salivare della melatonina.
Con l’utilizzo di appositi dispositivi vengono raccolti 5 campioni di saliva ad intervalli regolari nelle ore serali, iniziando 3 ore prima dell’ora in cui il paziente è solito addormentarsi.

Si ottiene così una curva della concentrazione salivare della melatonina serale da cui è possibile calcolare il “dim-light melatonin onset” (DLMO). Questo non è altro che l’orario in cui l’epifisi inizia a produrre e rilasciare melatonina, che è circa 2-3 ore prima dell’orario di addormentamento.

Questo metodo è affidabile e viene utilizzato nella conferma dei disturbi del ritmo circadiano e per personalizzare il trattamento con la melatonina e la luminoterapia.

Articolo scritto dalla Dott.ssa Francesca Casoni