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Comparative physiology and pharmacology of sleep

BIO 333: HS 2012; 8. Oktober 2012

Peter Achermann

Abteilung Chronobiologie und SchlafforschungInstitut für Pharmakologie und Toxikologie

Zentrum für Integrative Human Physiologie (ZIHP)Zentrum für Neurowissenschaften Zürich (ZNZ)

Sleep regulation (human)

Learning objectives

At the end of the lecture you should be

able to:

• understand the principles of sleep homeostasis

2

Rajaratnam and Arendt, 2001Time since wakeup [h]

Blood alcohol concentration [%]

Mea

n re

lativ

e pe

rfor

man

ce

alcohol

sleep deprivation

19 h of wakefulness correspond to0.5 per mille blood alcohol concentration

Lack of sleep may become dangerous

How much sleep do humans need?

3

Landolt (2008)

Large variation in sleep duration

weekdays

weekends%

of responders

N=100040

30

20

10

0

hours

-5 5 - 6 6 - 7 7 - 8 8 - 9 9 - 10 10+

How long do we sleep ?

4

Wehr, 1991

L: lightE: evening-, M: morning component

Changes in day length: Summer (long day; 16 h) vs. winter (short day; 10 h)

Klerman and Dijk (2008)

60-76 years

18-32 years

7.4 h8.9 h

day

Tota

l sle

ep d

urat

uion

[h]

K 1 2 3 4 5 6 7

Bed times: 12 h at night4 h in the afternoon

Sleep duration reaches asymptote

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Sleep regulation

Investigation of the functionof sleep

• Manipulation of the „system“

• Sleep deprivation– acute

– chronic

– selectiv

6

hours

Important discovery in the 1930ies: Association between slow waves and sleep depth

Blake und Gerard (1937)

Slow-wave activity (SWA; 0.75-4.5 Hz) declines in course of sleep

is modulated by non-REM-REM sleep cycle

B

4321

WREM

slee

p st

ages

hours0 1 2 3 4 5 6 7 8

0

1000

2000

3000

SW

A (V

2)

7

World record staying awake

• 1965: 17-year-old Randy Gardner

• stayed awake for 11 days (264 hours)

• missed approx. 88 h of sleep

• first sleep episode lasted 14 hours

SW

A

Time of day

23 1 3 5 7

RNW |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||

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Time of day

23 1 3 5 7

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18 20

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Daytime nap

SW

A

Time of day

23 1 3 5 7

RNW ||||||||||||||||

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Time of day

23 1 3 5 7

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Sleep deprivation

Night 1

Night 1

Night 2

Night 2

EEG delta activity (SWA; 0.75-4.5 Hz) marker of sleep intensity

Achermann & Borbély, 2003

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After sleep deprivation: increase of slow waves in non-REM sleep EEG

similar in human and animals

The EEG is an indicator of “sleep pressure” and sleep depth

Specifically: sleep pressure and sleep depth are manifest in power of low frequency EEG waves

= delta activity (or SWA)

„sleep pressure“

builds up during wakefulness

decreases during sleep

9

Daan et al., 1984

Homeostatic sleep regulation:Hypothetical “Process S” builds up during wakefulness

and declines during sleep and is manifest as SWA

Model of sleep homeostasis(exponential functions)

Time of day

23 7 18 20 23 7 23 7

Pro

cess

S

0.0

0.5

1.0

Achermann & Borbély, Frontiers in Biosci., 8, 2003

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Sleep homeostasis

• Sleep-wake dependent aspect of sleep regulation

• Homeostatic mechanisms – counteract deviations from an average ‘‘reference

level’’ of sleep

– augment sleep propensity when sleep is curtailed or absent, and

– reduce sleep propensity in response to excess sleep

• Intensity and duration

Behavior Physiology

Definition of sleep

Sleep is homeostatically regulated

Sleep: active, regulated processSleep EEG: important indicator

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Build-up of homeostatic process measured by naps:Level of SWA determined by duration of prior

wakefulness and sleep

Beersma et al., 1987Dijk 1995

Circadian effects: displaced sleep

Borbély, 1982

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Two process model of sleep regulation

Borbély, Human Neurobiol,1982

Daan et al., Am J Physiol, 1984

Circadian process

Homeostatic process

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Two process model of sleep regulation

Homeostatic process

Circadian process

Interaction

Three major processes underlying sleep regulation

Achermann & Borbély, 2003

W: wake; S: sleep; N:non-REM sleep; R: REM sleep

Sleep pressure

Alteration of periods with high and low sleep propensity (independent of preceding sleep and wakefulness)

Cyclic alternation of non-REM and REM sleep