Κιρκάδιοι Μηχανισμοί

 Εκτός από τον κύκλο ύπνος/αφύπνιση και τις γνωστικές λειτουργίες (μάθηση-μνήμη), υπάρχει κιρκάδιος κύκλος στη φυσιολογία σε πολλά συστήματα όπως καθημερινή μεταβολή της αρτηριακής πίεσης, του καρδιακού ρυθμού, των επιπέδων ορμονών, της αναπνευστικής ικανότητας και της ικανότητας άσκησης και της πήξης. Πολλά παθολογικά συμβάντα συμβαίνουν σε συγκεκριμένες ώρες της ημέρας, υποδεικνύοντας ότι οι κιρκαδικές διεργασίες συμβάλλουν σε ασθένειες 

Ο κιρκάδιος ρυθμός (circa diem, about a day) επιμένει ακόμα και σε σταθερές συνθήκες με περίοδο σχεδόν 24ωρη . Το φως εισάγει τον κυκλικό ρυθμό στην 24ωρη περιστροφή της γης. Οι πρώτες μορφές ζωής που έλεγαν το χρόνο σύμφωνα με τον κύκλο φωτός-σκοτεινού ήταν τα φωτοσυνθετικά ευβακτήρια.
Η εξέλιξη αυτών των κυκλικών μορφών συνέπεσε με τη μεγάλη επέκταση οξυγόνου πριν από 3 δισεκατομμύρια χρόνια, συνδέοντας ουσιαστικά τις κιρκαδικές διεργασίες με οξυγονική αναπνοή. Οι κιρκαδικοί ρυθμοί είναι ζωτικής σημασίας για την φυσική κατάσταση και επιβίωση ειδών.

Υπάρχει ένας κεντρικός κόμβος - κύριος κόμβος/βηματοδότης, σε ένα δίκτυο εσωτερικών ρολογιών οδηγώντας σε ρυθμούς ύπνου/αφύπνισης και ενορχήστρωση περιφερικών ιστών. Σε πειράματα που περιλαμβάνουν βλάβες του υπεροπτικού πυρήνα του υποθαλάμου (SCN) ο οποίος αποτελείται από  περίπου 20.000 νευρώνες και γλοιακά κύτταρα, περιέχει και τους νευρώνες του βηματοδότη που είναι απαραίτητοι και επαρκείς να κινήσουν αυτούς τους ρυθμούς. Υπάρχει μεγάλη διακύμανση μεταξύ ημέρας και νύχτας στον ρυθμό αυθόρμητης πυροδότησης και στο δυναμικό μεμβράνης ηρεμίας του κυττάρου. Το ρεύμα νατρίου καλίου μέσα στους νευρώνες παρέχει την απαραίτητη ρυθμιστική και ανασταλτική κίνηση. Οι ταλαντώσεις, εμφανείς σε κυτταρικό επίπεδο, συνδυάζονται με την καθημερινή μεταγραφική διαδικασία, μέσω της καθημερινής έκφρασης και μεταγραφής ιόντων, ρυθμιστών τους και μεταβολικών σημάτων εντός του κυττάρου. Η νευρωνική δραστηριότητα επίσης χρησιμεύει για επαναφορά (reset) κυτταρικών αυτόνομων μοριακών ρολογιών σε περιοχές του εγκεφάλου έξω από τα κύτταρα του βηματοδότη, διατηρώντας συγχρονισμένες ταλαντώσεις 24 ωρών σε όλο το κύριο νευρικό δίκτυο

Το ίδιο το ρολόι του πυρήνα, ο νευρικός έλεγχος της καθημερινής συμπεριφοράς ύπνου-αφύπνισης έχει εξελικτικές ρίζες που χρονολογούνται πάνω από 500 εκατομμύρια χρόνια. Οι φωτοϋποδοχείς και τα κύτταρα του αμφιβληστροειδούς που εκφράζουν την μελανοψίνη μεταφέρουν φωτεινές πληροφορίες για να κινητοποιήσουν τα SCN ρολόγια. Η μελανοψίνη απορροφά μπλε φως, το οποίο εκπέμπεται από ηλεκτρονικές συσκευές πιο εύκολα από το φως ευρέος φάσματος. Ο τεχνητός φωτισμός το βράδυ μπορεί να καθυστερήσει τα κιρκάδια ρολόγια, με αποτέλεσμα την κακή ευθυγράμμιση με τους περιβαλλοντικούς κύκλους και την αύξηση του κινδύνου διαταραχών του ύπνου. Η σύμπτωση του φωτός με το ενδογενές πρόγραμμα ρολογιού στο SCN αλλάζει καθώς η διάρκεια της ημέρας ποικίλλει από το καλοκαίρι στους χειμερινούς μήνες, οδηγώντας σε εποχιακές αλλαγές στους εγγενείς κύκλους

Οι νευρώνες του βηματοδότη SCN ρυθμίζουν μυριάδες φυσιολογικές διεργασίες, όπως ύπνο, διέγερση, ρύθμιση θερμοκρασίας, τον τόνο του αυτόνομου νευρικού συστήματος, κύκλους τροφοδοσίας, μονοπάτια ανταμοιβής, διάθεση και κίνηση. Τα νευροενδοκρινικά συστήματα λειτουργούν ως ομοιοστατικοί αισθητήρες που ανταποκρίνονται σε περιβαλλοντικές-νοητικές αλλαγές (π.χ. απελευθέρωση ινσουλίνης σε απόκριση στη γλυκόζη, καθώς και απελευθέρωση γλυκοκορτικοειδούς ως απόκριση στο stress). Αντίθετα, το κιρκαδικό ρολόι παρέχει στα φυσιολογικά συστήματα τη δυνατότητα πρόβλεψης καθημερινών αλλαγών