Circadian Rhythms and Chronic Consciousness

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Among the possible points of therapeutic action and predicting the outcome in patients in a vegetative state and minimally conscious state, the analysis of circadian rhythms, such as the sleep-wake cycle, melatonin secretion, temperature trends, heart rate, and blood pressure, attracts more and more attention. In this review, we analyzed studies on circadian rhythms in patients with chronic disorders of consciousness, assessed the possible limitations of standard methods, proposed a concept for the development of an assessment of the sleep-wake cycle, and assessed the role of exogenous factors that are likely to be involved in the disturbance of circadian rhythms in intensive care units. Based on the results of the study, we came to the conclusion that for the full realization of the rehabilitation potential, it is necessary to develop methods for assessing circadian rhythms based on a multicomponent approach, including 24-hour monitoring using actigraphy for more accurate identification of the rest-activity cycle, video monitoring of the orofascial area to increase the reliability of oculographic assessment and revealing hidden patterns, analysis of the temperature curve, the level of melatonin, TSH, cortisol, as well as exogenous factors. It is necessary to use the information obtained for therapeutic, prognostic, diagnostic and rehabilitation purposes.

About the authors

Mihail M. Kanarskii

Federal Scientific and Clinical Center of Intensive Care Medicine and Rehabilitology

Email: kanarMM@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-7635-1048
SPIN-code: 1776-1160

Junior Research Associate

Russian Federation, Moscow

Marina V. Stern

Federal Scientific and Clinical Center of Intensive Care Medicine and Rehabilitology

Email: mstern@fnkcrr.ru

MD, Cand. Sci. (Med.)

Russian Federation, Moscow

Irina S. Vorobieva

Federal Scientific and Clinical Center of Intensive Care Medicine and Rehabilitology

Email: ivorobieva@fnkcrr.ru
Russian Federation, Moscow

Kirill M. Gorshkov

Federal Scientific and Clinical Center of Intensive Care Medicine and Rehabilitology

Email: kgorshkov@fnkcrr.ru
SPIN-code: 5991-9705
Russian Federation, Moscow

Tatiana N. Krylova

Federal Scientific and Clinical Center of Intensive Care Medicine and Rehabilitology

Email: krylova@fnkcrr.ru
Russian Federation, Moscow

Mikhail M. Gorlachev

Federal Scientific and Clinical Center of Intensive Care Medicine and Rehabilitology

Email: mgorlachev@fnkcrr.ru
ORCID iD: 0000-0002-7277-5193
Russian Federation, Moscow

Victoria V. Gudojnikova

Federal Scientific and Clinical Center of Intensive Care Medicine and Rehabilitology

Email: vgudojnikova@fnkcrr.ru
Russian Federation, Moscow

Pavel M. Kopylov

Federal Scientific and Clinical Center of Intensive Care Medicine and Rehabilitology

Email: pkopylov@fnkcrr.ru
Russian Federation, Moscow

Faruh B. Mirzaev

Federal Scientific and Clinical Center of Intensive Care Medicine and Rehabilitology

Email: fmirzaev@fnkcrr.ru
Russian Federation, Moscow

Ilya V. Borisov

Federal Scientific and Clinical Center of Intensive Care Medicine and Rehabilitology

Email: realzel@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-5707-118X
SPIN-code: 7800-6446

Junior Research Associate

Russian Federation, Moscow

Yulia Yu. Nekrasova

Federal Scientific and Clinical Center of Intensive Care Medicine and Rehabilitology

Author for correspondence.
Email: nekrasova84@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-4435-8501
SPIN-code: 8947-4230

Cand. Sci. (Tech), Research Associate

Russian Federation, Moscow

References

  1. Бакулин И.С., Кремнева Е.И., Кузнецов А.В. Хронические нарушения сознания / Под ред. М.А. Пирадова. 2-е изд., перераб. и доп. Москва: Горячая линия — Телеком, 2020. 288 с. [Bakulin IS, Kremneva EI, Kuznetsov AV. Chronic disorders of consciousness. Ed. by M.A. Piradov. 2nd ed., reprint. and add. Moscow: Hotline-Telecom; 2020. 288 p. (In Russ).]
  2. Fins JJ. When no one notices: disorders of consciousness and the chronic vegetative state. Hastings Cent Rep. 2019; 49(4):14–17. doi: 10.1002/hast.1030
  3. Гнездицкий В.В., Пирадов М.А. Нейрофизиология комы и нарушения сознания (анализ и интерпретация клинических наблюдений). Иваново: ПресСто, 2015. 528 с. [Gnezditsky VV, Piradov MA. Neurophysiology of coma and disorders of consciousness (analysis and interpretation of clinical observations). Ivanovo: PresSto; 2015. 528 p. (In Russ).]
  4. Cruse D, Thibaut A, Demertzi A, et al. Actigraphy assessments of circadian sleep-wake cycles in the Vegetative and Minimally Conscious States. BMC Med. 2013;11:18. doi: 10.1186/1741-7015-11-18
  5. Kotchoubey B, Vogel D, Lang S, Müller F. What kind of consciousness is minimal? Brain injury, 2014;28(9): 1156–1163. doi: 10.3109/02699052.2014.920523
  6. Multi-Society Task Force on PVS. Medical aspects of the persistent vegetative state. N Engl J Med. 1994;330(21): 1499–1508. doi: 10.1056/NEJM199405263302107
  7. Partch CL, Green CB, Takahashi JS. Molecular architecture of the mammalian circadian clock. Trends Cell Biol. 2014;24(2):90–99. doi: 10.1016/j.tcb.2013.07.002
  8. Mohawk JA, Green CB, Takahashi JS. Central and peripheral circadian clocks in mammals. Annu Rev Neurosci. 2012;35, 445–462. doi: 10.1146/annurev-neuro-060909-153128
  9. Huang W, Ramsey KM, Marcheva B, Bass J. Circadian rhythms, sleep, and metabolism. J Clin Invest. 2011;121(6): 2133–2141. doi: 10.1172/JCI46043
  10. Tsang AH, Astiz M, Friedrichs M, Oster H. Endocrine regulation of circadian physiology. J Endocrinol. 2016; 230(1):R1–R11. doi: 10.1530/JOE-16-0051
  11. Astiz M, Heyde I, Oster H. Mechanisms of communication in the mammalian circadian timing system. Int J Mol Sci. 2019;20(2):343. doi: 10.3390/ijms20020343
  12. Атьков О.Ю., Горохова С.Г. Циркадные гены и система кровообращения // Кардиологический вестник. 2019. Т. 14, № 2. С. 36–42. [Atkov OYu, Gorokhova SG. Circadian genes and the circulatory system. Cardiology Bulletin. 2019;14(2):36–42. (In Russ).] doi: 10.17116/Cardiobulletin20191402136
  13. Touitou Y, Reinberg A, Touitou D. Association between light at night, melatonin secretion, sleep deprivation, and the internal clock: Health impacts and mechanisms of circadian disruption. Life Sci. 2017;173:94–106. doi: 10.1016/j.lfs.2017.02.008
  14. Bekinschtein TA, Golombek DA, Simonetta SH, et al. Circadian rhythms in the vegetative state. Brain Injury. 2009; 23(11):915–919. doi: 10.1080/02699050903283197
  15. Zisapel N. New perspectives on the role of melatonin in human sleep, circadian rhythms and their regulation. Br J Pharmacol. 2018;175(16):3190–3199. doi: 10.1111/bph.14116
  16. Tan DX, Manchester LC, Sanchez-Barcelo E, et al. Significance of high levels of endogenous melatonin in Mammalian cerebrospinal fluid and in the central nervous system. Curr Neuropharmacol. 2010;8(3):162–167. doi: 10.2174/157015910792246182
  17. Guaraldi P, Sancisi E, La Morgia C, et al. Nocturnal melatonin regulation in post-traumatic vegetative state: a possible role for melatonin supplementation? Chronobiol Int. 2014;31(5):741–745. doi: 10.3109/07420528.2014.901972.
  18. Белкин А.А., Алексеева Е.В., Алашеев А.М. и др. Оценка циркадности для прогноза исхода вегетативного состояния // Consilium Medicum. 2017;19(2):19–23. [Belkin AA, Alekseeva EV, Alasheev AM, et al. Assessment of circadicity for predicting the outcome of the vegetative state. Consilium Medicum. 2017;19(2):19–23. (In Russ).]
  19. Cologan V, Schabus M, Ledoux D, et al. Sleep in disorders of consciousness. Sleep Med Rev. 2010;14(2):97–105. doi: 10.1016/j.smrv.2009.04.003
  20. Wyatt JK, Ritz-De Cecco A, Czeisler CA, Dijk DJ. Circadian temperature and melatonin rhythms, sleep, and neurobehavioral function in humans living on a 20-h day. Am J Physiol.1999;277(4Pt2):R1152–R1163. doi: 10.1152/ajpregu.1999.277.4.r1152
  21. Ковальзон В.М. Основы сомнологии: физиология и нейрохимия цикла бодрствование-сон. Москва: БИНОМ, 2012. 239 с. [Kovalzon VM. Fundamentals of somnology: physiology and neurochemistry of the wake-sleep cycle. Moscow: BINOM; 2012. 239 р. (In Russ).]
  22. Zielinski MR, McKenna JT, McCarley RW. Functions and Mechanisms of Sleep. AIMS Neurosci. 2016;3(1):67–104. doi: 10.3934/Neuroscience.2016.1.67
  23. Bender A, Jox RJ, Grill E, et al. Persistent vegetative state and minimally conscious state: a systematic review and meta-analysis of diagnostic procedures. Dtsch Arztebl Int. 2015;112(14):235–242. doi: 10.3238/arztebl.2015.0235
  24. Rossi Sebastiano D, Visani E, Panzica, F, et al. Sleep patterns associated with the severity of impairment in a large cohort of patients with chronic disorders of consciousness. Clin Neurophysiol. 2018;129(3):687–693. doi: 10.1016/j.clinph.2017.12.012
  25. Landsness E, Bruno MA, Noirhomme Q, et al. Electrophysiological correlates of behavioural changes in vigilance in vegetative state and minimally conscious state. Brain. 2011;134(Pt 8):2222–2232. doi: 10.1093/brain/awr152
  26. Isono M, Wakabayashi Y, Fujiki MM, et al. Sleep cycle in patients in a state of permanent unconsciousness. Brain Inj. 2002;16(8):705–712. doi: 10.1080/02699050210127303
  27. Malinowska U, Chatelle C, Bruno MA, et al. Electroencephalographic profiles for differentiation of disorders of consciousness. Biomed Eng Online. 2013;12:109. doi: 10.1186/1475-925X-12-109
  28. Pavlov YG, Gais S, Müller F, et al. Night sleep in patients with vegetative state. J Sleep Res. 2017;26(5):629–640. doi: 10.1111/jsr.12524
  29. Mertel I, Pavlov Y, Barner C, et al. Sleep in severe disorders of consciousness: 24-h behavioral and polysomnographic recording. medRxiv. 2020. doi: 10.1101/2020.05.21.20106807
  30. Sen M, Young GB. Sleeping well. BMC Med. 2013;11:19. doi: 10.1186/1741-7015-11-19
  31. Berger AM, Wielgus KK, Young-McCaughan S, et al. Methodological challenges when using actigraphy in research. J Pain Symptom Manage. 2008;36(2):191–199. doi: 10.1016/j.jpainsymman.2007.10.008
  32. Refinetti R. The circadian rhythm of body temperature. Front Biosci (Landmark Ed). 2010;15:564–594. doi: 10.2741/3634
  33. Bekinschtein TA, Golombek DA, Simonetta SH, et al. Circadian rhythms in the vegetative state. Brain Inj. 2009; 23(11):915–919. doi: 10.1080/02699050903283197
  34. Cruse D, Thibaut A, Demertzi A, et al. Actigraphy assessments of circadian sleep-wake cycles in the Vegetative and Minimally Conscious States. BMC Med. 2013;11:18. doi: 10.1186/1741-7015-11-18
  35. Working Party of the Royal College of Physicians. The vegetative state: guidance on diagnosis and management. Clin Med (Lond). 2003;3(3):249–254. doi: 10.7861/clinmedicine.3-3-249
  36. Matsumoto M, Sugama J, Okuwa M, et al. Non-invasive monitoring of core body temperature rhythms over 72 h in 10 bedridden elderly patients with disorders of consciousness in a Japanese hospital: a pilot study. Arch Gerontol Geriatr. 2013;57(3):428–432. doi: 10.1016/j.archger.2013.05.009
  37. Blume C, Lechinger J, Santhi N, et al. Significance of circadian rhythms in severely brain-injured patients: A clue to consciousness? Neurology. 2017;88(20):1933–1941. doi: 10.1212/WNL.0000000000003942
  38. Bruijns SR, Guly HR, Wallis LA. Effect of spinal immobilization on heart rate, blood pressure and respiratory rate. Prehosp Disaster Med. 2013;28(3):210–214. doi: 10.1017/S1049023X13000034
  39. Pattoneri P, Tirabassi G, Pelá G, et al. Circadian blood pressure and heart rate changes in patients in a persistent vegetative state after traumatic brain injury. J Clin Hypertens (Greenwich). 2005;7(12):734–739. doi: 10.1111/j.1524-6175.2005.04780.x
  40. Baumann S. A nursing approach to pain in older adults. Medsurg Nurs. 2009;18(2):77–82; quiz 83.
  41. Freedman NS, Gazendam J, Levan L, et al. Abnormal sleep/wake cycles and the effect of environmental noise on sleep disruption in the intensive care unit. Am J Resp Crit Care Med. 2001;163(2):451–457. doi: 10.1164/ajrccm.163.2.9912128
  42. Meyer TJ, Eveloff SE, Bauer MS, et al. Adverse environmental conditions in the respiratory and medical ICU settings. Chest. 1994;105(4):1211–1216. doi: 10.1378/chest.105.4.1211
  43. Vogel HP, Kroll M, Fritschka E, Quabbe HJ. Twenty-four-hour profiles of growth hormone, prolactin and cortisol in the chronic vegetative state. Clin Endocrinol (Oxf). 1990;33(5):631–643. doi: 10.1111/j.1365-2265.1990.tb03902.x
  44. Ting WK, Perez Velazquez JL, Cusimano MD. Eye movement measurement in diagnostic assessment of disorders of consciousness. Front Neurol. 2014;5:137. doi: 10.3389/fneur.2014.00137
  45. Cologan V, Schabus M, Ledoux D, et al. Sleep in disorders of consciousness. Sleep Med Rev. 2010;14(2):97–105. doi: 10.1016/j.smrv.2009.04.003
  46. Ly J, Gaggioni G, Chellappa SL, et al. Circadian regulation of human cortical excitability. Nat Commun. 2016;7:11828. doi: 10.1038/ncomms11828

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2021 Kanarskii M.M., Stern M.V., Vorobieva I.S., Gorshkov K.M., Krylova T.N., Gorlachev M.M., Gudojnikova V.V., Kopylov P.M., Mirzaev F. ., Borisov I.V., Nekrasova Y.Y.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
 


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».