Cosa sono i ritmi circadiani?

I ritmi circadiani sono quei processi fisiologici che seguono una ritmicità di circa 24h (dal latino circa =intorno e dies=giorno). Sono governati da un “orologio biologico centrale“, che ha la sua sede nell’ipotalamo e da vari “orologi periferici” localizzati nei diversi organi.

I neuroni presenti nel’ipotalamo sono sincronizzati dall’alternanza luce/buio, uno stimolo ambientale che attiva i geni che regolano il rilascio circadiano di specifici ormoni. Tali ormoni orchestrano i processi fisiologici diurni e il sonno (Figura 1). Nei centri periferici invece, gli stessi geni sono modulati dal tipo e dal timing (tempistica) di assunzione dei nutrienti.

Figura 1: Ritmi circadiani e secrezione ormonale. La secrezione di ormoni che regolano le attività giornaliere e modulano la risposta fisiologica alle variazioni di luce e buio segue una ritmicità circadiana.

Ritmi circadiani e performance sportiva

La performance sportiva segue il pattern di oscillazioni circadiane. Gli studi attestano che in una stessa giornata lo stesso soggetto possa subire variazioni di performance del 25% con differenze interindividuali che vanno dal 10% al 30%. Il picco di performance si ha nel tardo pomeriggio e correla con i picchi dei tempi di reazione, di attivazione dei motoneuroni, della VO2max, della vigilanza nonché col picco di aumento della temperatura corporea che segue anch’essa fluttuazioni circadiane.

Come è possibile che il nostro orologio interno si desincronizzi?

L’alternanza luce/buio, o se preferite giorno/notte è il sincronizzatore delle lancette del nostro orologio interno. Quando il nostro ciclo è sincronizzato con quello ambientale abbiamo un ritmo sonno/veglia regolare, in sostanza, dormiamo di notte  e siamo attivi di giorno.

Conseguenze dirette della desincronizzazione

Ogni qualvolta alteriamo il normale ritmo sonno/veglia si ha un disallinamento con il ritmo luce/buio e di conseguenza una deregolazione dei flussi ormonali circadiani. Se tale deregolazione si mantiene per molto tempo, impatterà sul metabolismo, sulla durata e sulla qualità del sonno e, negli sportivi, sulla performance. Questa desincronizzazione si produce ad esempio quando si viaggia tra zone con diverso fuso orario, quando non si dorme a sufficienza o si ha uno slittamento verso la sera delle attività quotidiane.

Le conseguenze, seppur variabili da individuo a individuo, consistono generalmente in sonnolenza diurna, disturbi gastrointestinali, confusione, alterazione dell’appetito e aumento ponderale, mal di testa e irritabilità ma anche disturbi dell’umore e abbassamento delle difese immunitarie che possono favorire malattie e in particolare, nello sportivo, calo della performance (Figura 2)  e maggiore tendenza agli infortuni.

Figura 2: Effetto della privazione di sonno su diverse tipologie di sport (Tratto da Reilly T.e Edwards B. Altered sleep–wake cycles and physical performance in athletes, Pysiol Behav, 2007).

Conseguenze indirette della desincronizzazione

L’alterazione dei ritmi circadiani influenza la performance anche in maniera indiretta. Un riposo non adeguato ad esempio, aumenta la secrezione degli ormoni catabolici come il cortisolo. La sua secrezione normalmente segue un ritmo circadiano con un picco al mattino che declina nel corso della giornata.

Nei soggetti con alterazione dei ritmi circadiani la produzione di cortisolo si mantiene sostenuta durante la giornata, addirittura fino a sera. Ciò favorisce l’instaurarsi di uno shift del metabolismo in senso catabolico, ovvero di distruzione, sul muscolo mentre favorisce al contempo l’accumulo adiposo.

Questi cambiamenti metabolici sono particolarmente dannosi per lo sportivo perchè interferiscono con l’ adattamento e il recupero muscolare favorendo fenomeni di overtraining e overereaching. Inoltre la risulta alterato il corretto ripristino del glicogeno muscolare che insieme all’aumentata percezione di fatica può essere responsabile del calo di performance in specifiche discipline sportive come ad esempio gli sport di endurance .

Come si resincronizza l’orologio biologico?

Una corretta igiene del sonno in accordo con l’alternanza luce/buio dell’ambiente esteno resincronizza il nostro orologio biologico, quindi la prima strategia è di tipo comportamentale e consiste nell’evitare tutti le abitudini che interferiscono con la durata e la qualità del sonno come cenare subito prima di andare a letto. Durante la fase digestiva infatti la temperatura corporea aumenta mentre per favorire il sonno la fisiologia prevede una riduzione della temperatura. A questo punto sorge una domanda: la corretta alimentazione può avere un ruolo nel favorire il ripristino di un corretto ritmo sonno veglia?

Il ruolo dell’alimentazione nella regolazione dei ritmi circadiani

Da qualche tempo si sta studiando il ruolo dell’alimentazione nella regolarizzazione dei ritmi circadiani. Si è scoperto che l’alimentazione ha un ruolo diretto sull’addormentamento e sulla qualità del sonno. Si sa infatti che per addormentarsi serve la melatonina. Gli alimenti possono modulare direttamente la produzione di melatonina mediante precursori introdotti con la dieta. Inoltre gli alimenti stessi sono dei sincronizzatori dei centri circadiani periferici.

Produzione di melatonina e alimentazione

La produzione di melatonina è strettamente dipendente dalla disponibilità dell’amminoacido triptofano , un amminoacido essenziale, che deve essere necessariamente introdotto con la dieta perchè il nostro corpo non lo produce da sè.

Il consumo di cibi ricchi di triptofano la sera favorisce la produzione di melatonina. Tra questi ritroviamo i cereali  integrali e i legumi, per cui la vecchia storia che non si devono mangiare i carboidrati a cena non trova riscontro reale. Ma il triptofano si trova anche in cibi proteici come le uova, il latte, la carne.

In aggiunta, sia le diete ad elevato contenuto di carboidrati che quelle elevate in proteine possono avere un effetto positivo sul sonno migliorando rispettivamente l’addormentamento e la qualità del sonno mentre diete ad alto contenuto di grassi hanno dimostrato un effetto negativo sulla durata totale del sonno.

Ricapitolando…

La performance sportiva è correlata alla sincronia dei ritmi circadiani centrali e periferici. La mancanza di sonno protratta nel tempo porta alla rottura della sincronia con alterazioni metaboliche che impattano su prestazione e recupero. L’alimentazione gioca anche’essa un ruolo nel risincronizzare il nostro orologio biologico.

REFERENZE

  • Guth LM, Roth SM: Genetic influence on athletic performance. Curr Opin Pediatr 2013;25:653-658
  • Hastings MH, Herzog ED: Clock genes, oscillators, and cellular networks in the suprachiasmatic nuclei. J Biol Rhythms 2004;19:400-413
  • Mohawk JA, Green CB, Takahashi JS: Central and peripheral circadian clocks in mammals. Annu Rev Neurosci 2012;35:445-462
  • Winget CM, DeRoshia CW, Holley DC: Circadian rhythms and athletic performance. Med Sci Sports Exerc 1985;17:498-516
  • Weinert D, Waterhouse J: The circadian rhythm of core temperature: effects of physical activity and aging. Physiol Behav 2007;90:246-256
  • Forbes-Robertson S, Dudley E, Vadgama P, Cook C, Drawer S, Kilduff L: Circadian disruption and remedial interventions: effects and interventions for jet lag for athletic peak performance. Sports Med 2012;42:185-208
  • Thun E, Bjorvatn B, Flo E, Harris A, Pallesen S: Sleep, circadian rhythms, and athletic performance. Sleep Med Rev 2015;23:1-9
  • Watson AM: Sleep and Athletic Performance. Curr Sports Med Rep 2017;16:413-418
  • Spiegel K, Leproult R, L’Hermite-Baleriaux M, Copinschi G, Penev PD, Van Cauter E: Leptin levels are dependent on sleep duration: relationships with sympathovagal balance, carbohydrate regulation, cortisol, and thyrotropin. J Clin Endocrinol Metab 2004;89:5762-5771
  • Spiegel K, Tasali E, Penev P, Van Cauter E: Brief communication: Sleep curtailment in healthy young men is associated with decreased leptin levels, elevated ghrelin levels, and increased hunger and appetite. Ann Intern Med 2004;141:846-850
  • Blumert PA, Crum AJ, Ernsting M, Volek JS, Hollander DB, Haff EE, Haff GG: The acute effects of twenty-four hours of sleep loss on the performance of national-caliber male collegiate weightlifters. J Strength Cond Res 2007;21:1146-1154
  • Krueger JM, Majde JA, Rector DM: Cytokines in immune function and sleep regulation. Handb Clin Neurol 2011;98:229-240
  • Fondell E, Axelsson J, Franck K, Ploner A, Lekander M, Balter K, Gaines H: Short natural sleep is associated with higher T cell and lower NK cell activities. Brain Behav Immun 2011;25:1367-1375
  • Reilly T, Edwards B: Altered sleep-wake cycles and physical performance in athletes. Physiol Behav 2007;90:274-284
  • Dattilo M, Antunes HK, Medeiros A, Monico Neto M, Souza HS, Tufik S, de Mello MT: Sleep and muscle recovery: endocrinological and molecular basis for a new and promising hypothesis. Med Hypotheses 2011;77:220-222
  • Zawilska JB, Skene DJ, Arendt J: Physiology and pharmacology of melatonin in relation to biological rhythms. Pharmacol Rep 2009;61:383-410
  • Cook CJ, Crewther BT, Kilduff LP, Drawer S, Gaviglio CM: Skill execution and sleep deprivation: effects of acute caffeine or creatine supplementation – a randomized placebo-controlled trial. J Int Soc Sports Nutr 2011;8:2
  • Burke TM, Markwald RR, McHill AW, Chinoy ED, Snider JA, Bessman SC, Jung CM, O’Neill JS, Wright KP, Jr.: Effects of caffeine on the human circadian clock in vivo and in vitro. Sci Transl Med 2015;7:305ra146
  • Kerksick CM, Wilborn CD, Roberts MD, Smith-Ryan A, Kleiner SM, Jager R, Collins R, Cooke M, Davis JN, Galvan E, Greenwood M, Lowery LM, Wildman R, Antonio J, Kreider RB: ISSN exercise & sports nutrition review update: research & recommendations. J Int Soc Sports Nutr 2018;15:38
  • Halson SL: Sleep in elite athletes and nutritional interventions to enhance sleep. Sports Med 2014;44 Suppl 1:S13-23
  • Afaghi A, O’Connor H, Chow CM: High-glycemic-index carbohydrate meals shorten sleep onset. Am J Clin Nutr 2007;85:426-430
  • Lindseth G, Lindseth P, Thompson M: Nutritional effects on sleep. West J Nurs Res 2013;35:497-513
  • Sturis J, Scheen AJ, Leproult R, Polonsky KS, van Cauter E: 24-hour glucose profiles during continuous or oscillatory insulin infusion. Demonstration of the functional significance of ultradian insulin oscillations. J Clin Invest 1995;95:1464-1471
  • Van Cauter E, Desir D, Decoster C, Fery F, Balasse EO: Nocturnal decrease in glucose tolerance during constant glucose infusion. J Clin Endocrinol Metab 1989;69:604-611
  • Dyar KA, Ciciliot S, Wright LE, Bienso RS, Tagliazucchi GM, Patel VR, Forcato M, Paz MI, Gudiksen A, Solagna F, Albiero M, Moretti I, Eckel-Mahan KL, Baldi P, Sassone-Corsi P, Rizzuto R, Bicciato S, Pilegaard H, Blaauw B, Schiaffino S: Muscle insulin sensitivity and glucose metabolism are controlled by the intrinsic muscle clock. Mol Metab 2014;3:29-41
  • Harfmann BD, Schroder EA, Esser KA: Circadian rhythms, the molecular clock, and skeletal muscle. J Biol Rhythms 2015;30:84-94
  • Stenvers DJ, Scheer F, Schrauwen P, la Fleur SE, Kalsbeek A: Circadian clocks and insulin resistance. Nat Rev Endocrinol 2019;15:75-89
  • Tahara Y, Shibata S: Circadian rhythms of liver physiology and disease: experimental and clinical evidence. Nat Rev Gastroenterol Hepatol 2016;13:217-226
  • Budai Z, Balogh L, Sarang Z: Short-term high-fat meal intake alters the expression of circadian clock-, inflammation-, and oxidative stress-related genes in human skeletal muscle. Int J Food Sci Nutr 2019:1-10
  • McHill AW, Phillips AJ, Czeisler CA, Keating L, Yee K, Barger LK, Garaulet M, Scheer FA, Klerman EB: Later circadian timing of food intake is associated with increased body fat. Am J Clin Nutr 2017;106:1213-1219
  • D’Souza DM, Al-Sajee D, Hawke TJ: Diabetic myopathy: impact of diabetes mellitus on skeletal muscle progenitor cells. Front Physiol 2013;4:379
  • Melkani GC, Panda S: Time-restricted feeding for prevention and treatment of cardiometabolic disorders. J Physiol 2017;595:3691-3700
  • Damiola F, Le Minh N, Preitner N, Kornmann B, Fleury-Olela F, Schibler U: Restricted feeding uncouples circadian oscillators in peripheral tissues from the central pacemaker in the suprachiasmatic nucleus. Genes Dev 2000;14:2950-2961
  • Moro T, Tinsley G, Bianco A, Marcolin G, Pacelli QF, Battaglia G, Palma A, Gentil P, Neri M, Paoli A: Effects of eight weeks of time-restricted feeding (16/8) on basal metabolism, maximal strength, body composition, inflammation, and cardiovascular risk factors in resistance-trained males. J Transl Med 2016;14:290