Умные часы - это удобные устройства, позволяющие людям отслеживать количество шагов, которые они делают за день, или отслеживать время, пройденное ими во время пробежки. Но они также дают ученым возможность понять физиологические процессы людей, когда они заняты своей повседневной жизнью.
В частности, ученые были заинтересованы в отслеживании циркадных ритмов людей с помощью биологических данных, собранных их умными часами, в частности, их частоты сердечных сокращений. Это позволит людям узнать, в какое время суток лучше всего спать, есть, заниматься спортом или принимать лекарства.
Ночью частота сердечных сокращений человека снижается в целях экономии энергии. В период бодрствования у человека учащается пульс в ожидании активности. Но проблема заключалась в том, чтобы найти способ найти прямую линию сердечного ритма человека среди всех его изменений в течение дня, говорит Дэниел Форгер, профессор математики в Мичиганском университете.
Теперь Форгер и его коллеги разработали статистический метод, который учитывает весь «шум», который может повлиять на частоту сердечных сокращений человека, и извлекает его циркадный ритм на основе данных о частоте сердечных сокращений, предоставляемых их умными часами.
Циркадный ритм - это внутренние часы, которые синхронизируют все физиологические функции в организме. Главные часы, расположенные в гипоталамусе мозга, контролируют все миллионы других внутренних часов в вашем теле: каждая клетка имеет внутренние часы, как и ваше сердце, печень и мозг. У здоровых людей все эти часы идут синхронно. Но изучить эти главные часы сложно, особенно за пределами лаборатории.
«Я думаю, что возник большой вопрос, можем ли мы измерять циркадные ритмы с помощью носимых устройств и как мы можем это сделать?» - сказал Форгер, также профессор вычислительной медицины и биоинформатики в Michigan Medicine. «Сама частота пульса имеет циркадный ритм, но он осложняется множеством разных вещей: вы ложитесь и засыпаете, и ваш пульс падает. Вы бежите, и ваш пульс сильно увеличивается.
«Сложный вопрос заключался в том, как нам извлечь этот внутренний сигнал хронометража, чтобы узнать, в какое время дня ваше тело думает, из всех этих других сигналов?»
Алгоритм группы работает, отбрасывая данные, собранные во время сна, и сосредотачиваясь на данных, собранных во время периода бодрствования. Затем алгоритм, разработанный соавтором исследования и бывшим докторантом UM Кларком Боуменом, учитывает, влияет ли на частоту сердечных сокращений человека его активность или уровень кортизола из-за физических упражнений, осанки или приема пищи. Результатом является основной ежедневный сигнал хронометража, контролирующий частоту сердечных сокращений.
Чтобы проверить, работает ли этот статистический метод, группа использовала набор данных из продолжающегося исследования медицинских интернов, которое называется Intern Health Study. В исследовании представлены данные за более чем 130000 дней от 900 практикантов, которые постоянно носили наручные устройства для отслеживания сна, собирающие данные о движении и частоте сердечных сокращений. Стажеры-медики - хорошие объекты для такого рода исследований, потому что они работают посменно, а это означает, что иногда их рабочие смены меняются от дня к ночи от недели к неделе.
«Умные часы собирают данные о частоте сердечных сокращений с помощью оптических датчиков, которые не очень точны, и на частоту сердечных сокращений в течение дня влияет так много факторов, что измерения, как правило, происходят повсюду, поэтому возможность идентифицировать это вообще циркадный ритм в таких данных », - сказал Боуман, ныне профессор математики и статистики в Гамильтон-колледже.
«Это возможно только потому, что умные часы так часто проводят измерения и предоставляют информацию об активности, чтобы помочь учесть сердечную потребность. Самого количества данных достаточно, чтобы увидеть фоновую тенденцию, состоящую в том, что частота сердечных сокращений слегка повышается и падает в соответствии с циркадными часами. "
В одном из примеров исследования режим сна и бодрствования человека, о чем свидетельствует его частота сердечных сокращений, быстро приспосабливается к изменяющемуся графику его работы. Это означает, что их циркадный ритм смог быстро приспособиться ко времени отхода ко сну и бодрствованию, что было почти противоположно тому, что они испытывали ранее.
Однако данные другого человека показали другую картину. Их циркадный ритм отставал от скорректированного графика сна, что, вероятно, означает, что они чувствовали себя довольно вялыми в то время, когда приспосабливались к новому графику бодрствования.
Эта медлительность - тот же эффект, что и у людей, страдающих сменой часовых поясов. Реактивная задержка может возникнуть, когда частота сердечных сокращений человека не синхронизирована с периодом бодрствования. Более медленное сердцебиение может вызвать сонливость или вялость.
Форгер говорит, что эффективность использования данных с носимых устройств означает, что ученые, а также человек, носящий часы, могут изучать циркадный ритм человека на основе реальных влияний, что имеет определенные преимущества по сравнению с измерением циркадного ритма в лаборатории. Золотым стандартом клинического исследования циркадного ритма было бы измерение уровня мелатонина у человека в течение периода от шести до 40 часов в темной лаборатории.
«Мы показали, что вы можете использовать носимый сигнал и напрямую измерять циркадные ритмы в реальном мире, а в реальном мире есть так много вещей, которые влияют на циркадные ритмы, которые вы не собираетесь измерять в лаборатории», - сказал Форгер. объясняя, что некоторые данные, которые пришлось учитывать команде, представляют собой длительные периоды интенсивной активности (например, полупрофессиональный велосипедист). Этот метод также не учитывает такие эффекты на частоту сердечных сокращений, как кофеин, психологический стресс, лекарственные препараты и болезни.
«Есть несколько сценариев, с которыми всегда нужно быть немного осторожнее, используя данные из реального мира», - сказал он. «Но опять же, мы собираемся подобрать другие вещи, которые вы, возможно, не испытаете в лаборатории».
Исследователи также разработали приложение Social Rhythms, доступное для устройств iPhone и Android, где вы можете загружать свои носимые данные и получать отчет о том, как в последнее время изменились ваши внутренние циркадные часы.
«Измерение этого сигнала не только дает информацию о циркадном ритме организма, но также характеризует, как ведет себя частота сердечных сокращений каждого человека», - сказал Боуман. «Мы можем использовать эту информацию, чтобы отслеживать, как организм приспосабливается к новому расписанию, изучать, как физическая активность влияет на частоту сердечных сокращений каждого человека немного по-разному, и даже количественно оценить влияние активности в разное время дня на внутренние часы организма.
«Пользователи умных часов могут иметь информацию о своих циркадных часах в реальном времени, чтобы помочь приспособиться к смене часовых поясов или сменной работе, управлять циркадными расстройствами или выявлять отклонения в частоте сердечных сокращений, которые могут представлять опасность для здоровья».
Соавторами исследования являются Итонг Хуанг из Дартмутского колледжа и исследователи UM Оливия Уолч, Ю Фанг, Елена Франк, Джонатан Тайлер, Калеб Майер, Кристофер Стокбридж, Кэти Голдштейн и Сриджан Сен.
