【專欄】早起的鳥兒有蟲吃,那遲到的鳥兒呢?淺談生理時鐘、上學時間與青少年學習表現的三角關係
作者:黃雯華副研究員(本院基因體研究中心)
插圖:林沛誼(國立陽明交通大學跨領域分子醫學學分學程)
你是愛早起的雲雀 (morning lark)? 還是喜歡晚睡的貓頭鷹 (night owl)?
每個人可不加思索知道,自己是被歸類於早睡早起的一派,或傾向越夜越美麗的生活。這種早睡抑或晚睡的生物睡眠傾向,被稱為「時型」(chronotype)。由於每個人的生理時鐘(circadian clock)與外界明暗循環同步化(entrainment)所產生的晝夜節律(circadian rhythm)有個體上的差異,因此不同人的「時型」有所不同。
晝夜節律與複雜的生理時鐘
由於地球自轉,在地球上的生物每24小時就會經歷一次晝夜交替,生物體也形成約24小時的作息週期。在沒有明暗週期的狀況下,日行性動物的作息週期大部分比24小時稍長,而夜行性動物則有比24小時稍短的週期。這種在沒有明暗循環的影響下所保持接近24小時的生理週期現象,叫做自主生理時鐘(free running),而這樣約24小時的週期就稱為晝夜節律(circadian rhythm)。生物體的晝夜節律會與外在環境的明暗循環同步化,而太陽光便是能將生理時鐘同步化最強的環境因子。人類的節律大約是24.3小時,如果沒有日夜循環,我們每天會愈來愈晚起床。
我們體內的生理時鐘不只一個,最主要應對外在明暗循環的主時鐘(master or central clock),就位於下丘腦前端的視神經交叉上核(Suprachiasmatic nucleus, SCN)。SCN裡有約兩萬個神經細胞,當環境中的光線透過感光視網膜神經節細胞(intrinsically photosensitive retinal ganglion cells, ipRGCs)傳遞到SCN時,會啟動一連串訊息傳遞來調控生理時鐘核心基因的表達及晝夜節律。
在細胞內,生理時鐘核心基因(BMAL、CLOCK、PER和CRY)形成相互制衡的網絡,是調控晝夜節律的核心機制。而主時鐘則會透過賀爾蒙及神經傳導物質,與其他器官中的週邊生理時鐘(peripheral clocks)同步化,以維持體內重要生理功能的平衡。這些週邊生理時鐘對於所在的器官功能也具有重要的調控角色。科學家發現,生理時鐘所影響的基因十分廣泛且複雜,掌管著賀爾蒙釋放、睡眠週期、體溫、細胞週期、代謝、免疫等許多影響身體健康的功能。可想而知,一旦晝夜節律紊亂,身體的健康也可能會亮紅燈了。
不平等、善變的睡眠「時型」?
網路上有許多睡眠週期相關的測驗,但目前,慕尼黑計時類型問卷(Munich ChronoType Questionnaire,MCTQ))是生物節律研究中最常用的測量「時型」調查方式之一。 MCTQ是第一個考慮工作日和假日兩種不同情境下睡眠差異的調查。在假日時,我們不需要依賴鬧鐘起床,而能夠遵循自然作息來衡量睡眠類型。MCTQ 調查結果發現,即便是在同一時區生活的人,最普遍的假日睡眠時段,發生在晚上11:30午夜到隔日早上7:30至8:00之間,而大約30%的人在晚上11:30之前就寢,有40%的人在午夜之後才睡覺,所以絕大部分的人都屬於中晚的睡眠時型。
一個人的時型會隨著年齡而改變。舉例來說,許多人認為青少年因為流連網路或玩樂,以至於熬夜到深夜,但從科學的角度來看,他們這種晚睡的作息是有原因的。在我們年幼的時候,往往屬於早起類型,在步入青少年時期,時型就逐漸變晚了,一直到青春期快結束時,時型達到最晚的型態1。所以,有青少年孩子的父母們,千萬別再認為孩子只是因為愛玩或與父母唱反調,才故意不早早上床睡覺,因為孩子晚睡的部分原因,是因為時型逐漸變晚。而這種在青少年時期表現出的較晚時型,到了20歲後,又會開始隨著歲月增長,以每十年提前約半小時的速度逐漸變早,難怪許多老人家總是特別早起。
「時型」不僅與年齡有關,不同生理性別也有影響。普遍來說,在50歲以前,生理女性往往比生理男性有較早起的時型,但到50歲之後,這種性別差異就逐漸消失了2。至於為什麼一個人的晝夜節律變化與性別及年紀有關,目前科學家還在探討,但這可能是生物和環境因素共同影響之下的結果。
隨著文明的發展,許多人的生活型態已不再規律,無論是旅行產生的時差,或是因應社會義務(如:上學、工作等)而需熬夜加班、寫報告等,人們在夜間暴露到人造光源的機率愈來愈高,而晝夜節律的紊亂與睡眠不足已成為現代人生活中無可避免的問題。現代生活的模式與一個人的時型相互作用之下,會對我們有什麼樣的影響呢?
社交時差(social jetlag)的影響
平均來說,每個人在工作日比假日早起兩小時。但這不代表大部分的人會因為要提早兩小時起床,在前一晚就提前兩小時上床睡覺。為了要滿足社會對工作或學校上課時間的要求,我們無法按照自己身體的時型作息,而造成在工作週中每天產生約一小時的「睡眠債」。又由於睡眠的缺乏,在假日的時候,許多人會睡過頭來補眠。這種生理時鐘和社交時間之間的不同步,就是所謂的「社交時差」。
儘管大多數人的時型偏向中晚型(早上7:30之後才起床),但工作和學校上課仍然是從一大早開始,例如:臺灣的國中生必須在早上7:30前到校,而上班族要在8:30至9:00前打卡等,當需要遵循這樣的時間表作息時,大多數人都會產生某種程度的「社交時差」。 這樣的社交時差,對於在有較晚時型的人來說,影響最為嚴重,除了被迫早早起床,睡眠不足之外,由於社交時差時間較長,會導致更嚴重的精神疲憊和情緒低落。有研究顯示,經歷長時間社交時差的人,比一般人更可能會對咖啡因、香菸、酒精產生依賴3。
「社交時差」對於青少年有嚴重的影響
依多年研究的結果,一般建議青少年每晚應該至少有8小時的睡眠,才能保有適當的成長速度4與良好的學習表現。問題是,青少年表現出非常晚的睡眠時型,可是又必須早起去上學,這種遵循社會義務的生活作息前提下,與他們體內的生理時鐘產生了衝突。便是青少年在上學日的睡眠一直被剝奪,平日睡得太少而在假日睡過頭來補眠,這樣的睡眠時間差異產生出高度的社交時差。長時間累積下來的睡眠債,被認為是造成較嚴重青春期叛逆行為、情緒障礙、較低運動表現、缺課和學業成績偏低的主要原因之一5。
青少年的睡眠時型也有個體差異。有些人非常晚,但有些人的睡眠時型比其他人早。有研究顯示,依照現在一大早就要上學的制度,時型較早的青少年比時型較晚的青少年有更好的學習表現5。這是因為「時型」早的青少年比時型晚的更有認知優勢?抑或是青少年的學習狀況能由改變上學時間而改善?
在一項有趣的研究中6,研究人員將學生隨機以三種不同的學校上學時間分組:上午組(7:45 am – 12:05 pm)、下午組(12:40 pm – 5: 00 pm)以及晚上組(5:20 pm – 9:40 pm),並以 13-14 歲及 17-18 歲青少年填寫的標準化問卷來評估青少年的生理時鐘和睡眠習慣。從這些問卷中,獲得睡眠時型、上學日和假日的睡眠持續時間與社交時差的資訊。 在學年結束時,評估這些學生的成績。
研究結果發現,學校時間表與睡眠時型相關。早起的學生有最早的睡眠時型,但即便他們有較早起床的習慣,這些學生的作息也不恰當,他們表現出約4小時的社交時差反應,而且超過90%的學生每晚的睡眠時間少於建議的8小時!有趣的是,在這個研究中,年齡較大的早起類型學生在「上午組」中,語言科成績較高,但年齡較大、晚起類型的學生,若是在「晚上組」中,語言成績表現甚至比早起類型的表現更為優良。
的確,在學校環境中,簡單的延後開始上課的時間,可以讓學生晚點起床以保持更接近青少年自然的睡眠時型。在美國西雅圖,一項將開學時間延後一小時的試驗發現,孩子的睡眠時間增加了,不僅減少了社交時差,更提高了出席率及準時性。而目前大部分的研究顯示,青少年若是延後上學時間,可以改善情緒、幸福感和學業成績,並減少白天的嗜睡,甚至減少交通事故的發生率7。總而言之,青少年的生理時鐘和上學時間之間,若是有更好的協調,將有助於改善他們的健康、情緒及學習表現。
目前,國內有許多高中已經取消早自習,讓青少年能睡晚一點,希望能提升學習效果,但目前國中階段並沒有類似措施,或許這部分是未來可以努力的目標。
Follow「時型」讓學習、工作效率提高,身體更健康,生活更幸福
我們是否能利用時型來發揮自我優勢?在現代社會中,輪班工作是許多行業的日常。 2015 年,一項針對工廠工人的研究,依照個人睡眠「時型」調整工作時間表,來使輪班與時型相符,晚班的人不再有早班,而早班的人也不再有晚班。結果發現,依這樣的作息時間,成功地增加了工人工作日的睡眠時間,工作效率不但提高,他們也回報睡眠品質變得更好,幸福感也有所增加8。
雖然完全依照個人「時型」重新安排輪班工作可能不切實際,但工作場所可以嘗試類似的方法,允許彈性的日程安排,讓工作時間與「時型」盡量相符。例如,在一天中,安排所謂的「核心時間」,讓早起和晚到的類型都可以見面、開會討論,因為每個人按照自己的晝夜節律工作,不僅可以提高生產力,也可以讓身體更健康、情緒更穩定、生活更幸福。畢竟,早起的鳥兒有蟲吃,但第二隻老鼠有起司吃。找到個人「時型」與學習、工作與生活「恰當時機」的完美平衡,或許是一個能帶領大家到嚮往美好生活的一個方式。
參考資料
- T. Roenneberg et al., A marker for the end of adolescence. Curr Biol 14, R1038-1039 (2004).
- T. Roenneberg et al., Epidemiology of the human circadian clock. Sleep Med Rev 11, 429-438 (2007).
- M. Wittmann, J. Dinich, M. Merrow, T. Roenneberg, Social jetlag: misalignment of biological and social time. Chronobiol Int 23, 497-509 (2006).
- F. Preckel, Lipnevich, A.A., Schneider, S., Roberts, R.D., Chronotype, cognitive abilities, and academic achievement: A meta-analytic investigation. Learning and Individual Differences 21, 483-492 (2011).
- K. E. Minges, N. S. Redeker, Delayed school start times and adolescent sleep: A systematic review of the experimental evidence. Sleep Med Rev 28, 86-95 (2016).
- A. P. Goldin, M. Sigman, G. Braier, D. A. Golombek, M. J. Leone, Interplay of chronotype and school timing predicts school performance. Nat Hum Behav 4, 387-396 (2020).
- G. P. Dunster et al., Sleepmore in Seattle: Later school start times are associated with more sleep and better performance in high school students. Sci Adv 4, eaau6200 (2018).
- C. Vetter, D. Fischer, J. L. Matera, T. Roenneberg, Aligning work and circadian time in shift workers improves sleep and reduces circadian disruption. Curr Biol 25, 907-911 (2015).