Modelling jet lag and light therapy optimisation for jet lag recovery

Abstract

The suprachiasmatic nucleus (SCN) in the mammalian brain generates our circadian rhythms and synchronises our biological processes with daily light variations. However, rapid time zone travelling can desynchronise the SCN neurons and disrupt the circadian rhythms, causing jet lag symptoms. The mechanism of jet lag and the role of the two regions of the SCN, the core and shell, remain unclear and its study is crucial to find new jet lag treatments. Bright light exposure is an efficient jet lag therapy, but its impact on the SCN is not yet fully understood. To solve these issues, jet lag was modelled with the core-shell model of the SCN, based on the Kuramoto model. It was assumed that jet lag recovery is equivalent to the resynchronisation of the SCN to the exterior light cycle. It was found that the core region of the SCN recovers faster than the shell region. While analysing the space of states of the SCN oscillators, it was found a region of slow dynamic states. Once in this area, the system takes a long time to leave it. This region is, thus, responsible for a long adaptation after eastward travelling, particularly across 8 time zones, compared to westward travelling. Then, light therapy was also modelled, considering the 6/8h eastward/westward time shifts. It was shown that a sufficiently long duration or high intensity of light pulses can be more detrimental than beneficial for speeding up the recovery of the SCN. The findings suggest that light therapy with moderate duration or intensity decreases the recovery time after travelling east but not west. Two light treatment protocols (one-session and multisession) were also considered. Thus, the protocols with optimal light intensity, duration and number of sessions giving the lowest recovery time were obtained. It was concluded that light therapy is customisable, ensuring the individual can choose the light therapy parameters according to their needs. The results of this study align qualitatively and quantitatively with existing data for humans and mice. All in all, this work is a relevant contribution to jet lag research, paving the way for the widespread use of light therapy in modern healthcare.

O núcleo supraquiasmático (SCN) do cérebro mamífero gera os nossos ritmos circadianos e sincroniza os nossos processos biológicos com as variações diárias de luz. No entanto, viagens rápidas para diferentes fusos horários podem dessincronizar os neurónios do SCN e perturbar os ritmos circadianos, causando sintomas de jet lag. O mecanismo do jet lag e o papel das duas regiões do SCN, o core, região ventral, e o shell, região dorsal, continuam por esclarecer e o seu estudo é crucial para encontrar novos tratamentos para o jet lag. A exposição à luz intensa (fototerapia) é uma terapia eficaz contra o jet lag, mas o seu impacto no SCN ainda não foi totalmente compreendido. Para resolver estas questões, o jet lag foi modelado com o modelo core-shell do SCN, baseado no modelo de Kuramoto. Assumiu-se que a recuperação do jet lag é equivalente à ressincronização do SCN ao ciclo de luz exterior. Verificou-se que o core do SCN recupera mais rapidamente do que o shell. Ao analisar o espaço de estados dos osciladores do SCN, foi encontrada uma região de dinâmica lenta. Uma vez nesta zona, o sistema demora muito tempo a deixá-la. Esta região é, portanto, responsável por uma longa adaptação após viagens para este, particularmente através de 8 fusos horários, em comparação com viagens para oeste. De seguida, a fototerapia foi também modelada para deslocações através de 6/8 fusos horários para este/oeste. Foi demonstrado que uma intensidade ou duração dos períodos de luz suficientemente longas podem ser mais prejudiciais do que benéficas para acelerar a recuperação do SCN. Os resultados sugerem que a fototerapia com intensidade ou duração moderada da luz diminui o tempo de recuperação após uma deslocação para este, mas não para oeste. Dois protocolos de terapia (uma sessão e várias sessões) foram também considerados. Assim, os protocolos com os parâmetros ótimos de intensidade da luz, duração e número de sessões para a obtenção do mínimo tempo de recuperação foram obtidos. Concluiu-se que a fototerapia é personalizável, assegurando que o indivíduo pode escolher os seus parâmetros de acordo com as suas necessidades. Os resultados deste estudo alinham-se qualitativa e quantitativamente com os dados existentes para humanos e ratinhos. Concluindo, este estudo é uma contribuição relevante para o estudo do jet lag, abrindo caminho para o uso generalizado da fototerapia nos cuidados de saúde modernos.