1
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?
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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
10
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