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从您的智能手表跟踪昼夜节律

智能手表是人们记录每天行走的步数或在跑步过程中记录英里时间的便捷设备。但它们也是科学家们在日常生活中了解人们生理过程的机会。

特别是,科学家们一直对通过智能手表收集的生物数据(特别是心率)跟踪人们的昼夜节律很感兴趣。这样做可以让个人知道一天中睡觉、吃饭、锻炼或服药的最佳时间。

到了晚上,人的心率会降低以节省能量。在一个人的清醒期间,他们的心率会因预期活动而加快。但密歇根大学数学教授丹尼尔·福格 (Daniel Forger) 表示,挑战在于找到一种方法来找出一个人心率在一天中的所有变化方式中的贯穿始终。

现在,Forger 和他的同事开发了一种统计方法,可以解释可能影响一个人心率的所有“噪音”,并根据智能手表提供的心率数据提取一个人的昼夜节律。

昼夜节律是一种内部时钟,可同步体内所有的生理功能。主时钟位于大脑的下丘脑,负责监督您体内数以百万计的其他所有内部时钟:每个细胞都有一个内部时钟,您的心脏、肝脏和大脑也是如此。在健康个体中,这些时钟都是同步的。但是研究这个主时钟很困难——尤其是在实验室环境之外。

“我认为一个大问题是,我们能否用可穿戴设备测量昼夜节律,我们如何做到这一点?” Forger 说,他也是密歇根医学计算医学和生物信息学的研究教授。“心率本身有昼夜节律,但它因许多不同的事情而变得复杂:躺下睡觉,心率下降。跑步时心率会上升。

“困难的问题是,我们如何从所有其他信号中提取内部计时信号,以了解您的身体认为它是一天中的什么时间?”

该小组的算法通过丢弃在睡眠期间收集的数据并专注于在一个人清醒期间收集的数据来工作。然后,由研究合著者和前 UM 博士后研究员克拉克鲍曼开发的算法考虑了一个人的心率是否因运动、姿势或饮食而受到该人的活动或皮质醇的影响。结果是潜在的每日计时信号控制心率。

为了测试这种统计方法是否有效,该小组使用了一项正在进行的医学实习生研究的数据集,称为实习生健康研究。该研究提供了来自 900 名实习生的超过 130,000 天的数据,这些实习生持续佩戴基于手腕的睡眠跟踪设备来收集运动和心率数据。医学实习生是此类研究的好对象,因为他们是轮班工人,这意味着有时他们的工作班次从白天到晚上每周都在变化。

“智能手表使用光学传感器收集心率数据,这不是很准确,而且一整天影响心率的因素太多,测量结果往往到处都是,因此能够识别是一个很大的结果那种数据的昼夜节律,”鲍曼说,他现在是汉密尔顿学院的数学和统计学教授。

“这是唯一可能的,因为智能手表如此频繁地进行测量并提供有关活动的信息以帮助解释心脏需求。大量数据足以看到心率的背景趋势随着生物钟微妙地上升和下降。 ”

在研究中的一个例子中,一个人的睡眠和清醒模式,正如他们的心率所证明的那样,会迅速适应他们不断变化的工作时间表。这意味着他们的昼夜节律能够快速适应入睡和醒来的时间,这几乎与他们之前经历的相反。

然而,另一个人的数据显示了不同的故事。他们的昼夜节律落后于他们调整后的睡眠时间表,这可能意味着他们在适应新的起床时间表期间感觉非常迟钝。

这种迟钝与那些有时差反应的人是一样的。当一个人的心率与其清醒时间不同步时,就会发生时差反应。较慢的心率会使人感到困倦或行动迟缓。

Forger 表示,使用可穿戴设备数据的优势意味着科学家以及佩戴手表的人可以根据现实世界的影响研究一个人的昼夜节律,这比在实验室中测量昼夜节律具有一定的优势。研究昼夜节律的黄金标准临床研究是在黑暗的实验室中,在 6 到 40 小时内测量一个人的褪黑激素水平。

“我们已经证明,你可以通过可穿戴信号直接测量现实世界中的昼夜节律,而现实世界中有很多影响昼夜节律的因素,你不会在实验室中测量,”Forger 说,解释说,团队必须考虑的一些数据是长时间的高强度活动(例如,半职业自行车手)。该方法也没有考虑对心率的影响,如咖啡因、心理压力、药物和疾病。

他说:“在某些情况下,您必须始终更加小心,使用真实世界的数据。” “但我们将再次了解您在实验室中可能无法体验的其他东西。”

研究人员还开发了适用于 iPhone 和 Android 设备的 Social Rhythms 应用程序,您可以在其中上传您的可穿戴数据并接收有关您的内部生物钟最近如何变化的报告。

“测量该信号不仅可以提供有关身体昼夜节律时间的信息,还可以表征每个人的心率行为,”鲍曼说。“我们可以使用这些信息来跟踪身体如何适应新的日程安排,研究身体活动如何略微不同地影响每个人的心率,甚至量化在一天中的不同时间活跃对身体内部时钟的影响。

“智能手表用户可以获得关于他们的生物钟的实时信息,以帮助适应时差或轮班工作,管理昼夜节律紊乱或识别可能带来健康风险的心率异常。”

该研究的合著者包括达特茅斯学院的 Yitong Huang,以及 UM 研究人员 Olivia Walch、Yu Fang、Elena Frank、Jonathan Tyler、Caleb Mayer、Christopher Stockbridge、Cathy Goldstein 和 Srijan Sen。

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