the biology of teen sleep patterns -...

3/10/2014

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SPONSORED BY THE

Center for Applied Research and Educational Improvement in the College of Education and Human Development

The Biology of Teen Sleep Patterns

Mary A Carskadon, PhD

EP Bradley Hospital & Brown Medical School

Overview

• Adolescent sleep biology

• Sleep biology and early rising

• Sleep and the adolescent brain

• Consequences of too little sleep for teens

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Factors Affecting Sleep Patterns

• Behavior and circumstancese.g., life-style choices, socio-economic status,

health, employment, school

• Intrinsic biological processes– Sleep homeostatic system (sleep “pressure”)

– Circadian timing system

Observed features of the circadian system  during adolescence

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Species Manifesting Juvenile Phase Delay

• Homo sapiens (humans)

• Macca mulatta (Rhesus monkeys)

• Octodon degus (degu) [some ?]

• Rattus norvegicus (laboratory rat)

• Mus musculus (laboratory mouse)

• Psammomys obesus (fat sand rat)

Hagenauer et al., Devel Neurosci, 2009

Chronotype and Adolescence

• Time of midsleep on “free” days

• Later timing is marked across the 2nd decade

Roenneberg et al., Current Biol., 2004

Late

Early

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Puberty and Melatonin Onset Phase:  Hormonal Signal of Nighttime

19

20

21

22

23

Mel

aton

in O

nset

Tim

e

1 2 3 4 5

Tanner Stage

Carskadon et al. NYAS, 2004

11pm

8pm

10pm

9pm

7pm

What might underlie phase delay?

• Changes in light exposure 

– Staying up later // more late light = delay

– Waking up later // less morning light = no advance

• Change in phase‐dependent sensitivity to light exposure

• Longer longer internal day length 

• Diminished amplitude of the melatonin rhythm

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Exaggerated phase delay to light in pubertal female mice

Hagenauer et al., Devel Neurosci, 2001; after Weinert & Kompaeurova, Zoology, 1998

JuvenileAdult

Advance(earlier)

Delay(later)

0

2

4

6

8

23.6 23.8 24.0 24.2 24.5 24.7

Intrinsic Period

Adolescents

Adults

#

Human Intrinsic Circadian Period—Internal Day Length

Carskadon & Acebo Sleep, 2005

LongerShorter

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Adolescent Melatonin Amplitude

Crowley et al., Dev Psychobiol, 2011

Prepubertal

Postpubertal

Summary of Process C Changes

• Phase is delayed during adolescent development– Phase preference (chronotype) is later

– Melatonin phase is later

• Phase‐dependent light sensitivity may change

• Internal day is longer than in adults

• Amplitude of circadian nocturnal melatonin declines

• Result:  late nights are favored (so, too, late mornings)

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Features of Adolescent Sleep‐Wake Homeostasis (Human)

Jenni & Carskadon Sleep, 2004

Slow wave sleep

Slow wave activity

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The adolescent brain changes

Density of neuronal connections, cerebral metabolic rate, and brain wave amplitude decline during adolescence

Feinberg et al., J Theor Biol.,1990

Cerebral metabolic rate

Cortical synaptic density

Delta wave amplitude

Sleep phenomenology changes; does sleep regulation?

Recovery process (dissipation)

Accumulation process

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Jenni, Achermann & Carskadon Sleep, 2005

7.7 h

13.5 h

3.0 h

2.9 h

td = 2.8 h td = 2.7 hDecay Time Constant

Tanner Stages 1/2 Tanner Stage 5

Sleep pressure dissipation does not change in adolescence

Across pubertal development, SWA accumulation rate slows down

Jenni, Achermann & Carskadon Sleep, 2005

7.7 h

13.5 h

3.0 h

2.9 h

td = 2.8 h td = 2.7 hDecay Time Constantti = 8.9 h ti = 12.1 hRise Time Constant

Tanner Stages 1/2 Tanner Stage 5

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Staying awake longer gets easier…up to a point. 

Taylor et al., J Sleep Res, 2005

Hours Awake

2.5 6.5 10.5 14.5 18.5 22.5 26.5

Model of Process S in Development

Jenni & LeBourgeois Curr Op Psychiatry, 2006

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Summary of Process S Change

• Recovery sleep process does not change across adolescence

– Need for sleep is stable

• Accumulation of sleep pressure slows

– Staying awake longer is easier

• Result:  late nights are easier to achieve, but the same amount of sleep is needed

Adolescent Sleep Behavior

• Bedtime becomes later

• Rise time becomes earlier (school dependent)

• Total amount of sleep is reduced

• Chronic insufficient sleep affects morning alertness most, especially when waking at an adverse circadian phase

• Evening alertness is bolstered by the clock‐dependent alerting signal

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Daytime sleep tendency in early‐rising high school students

• 10th grade

• Start time = 0720

• Sleeping about 7 hours a night

Carskadon et al. Sleep, 1998

0

5

10

15

20

Sle

ep L

aten

cy

(mea

n+se

min

utes

)

0830 1030 1230 1430

0

10

20

30

40

0830 1030 1230 1430

Per

cent

age

of T

ests

w

ith R

EM

Sle

ep

REM occurred in 12 of 25 subjects—most in the morning

REM sleep tendency also affected

Carskadon et al. Sleep, 1998

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Consequences of Clock/Homeostasis/Lifestyle Interaction

• Chronic insufficient sleep

• Variable sleep timing

– Social Jet Lag (á la Roenneberg, Curr Biol, 2012)

• Deficits in mood, learning, impulse control, etc.

• Excessive sleepiness & possible substance use

Why should we care about short sleep?  Sleep’s role in achievement and learning

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Sleep Prepares for Learning

• Too little sleep impairs information acquisition

– Sleepiness

– Irritability

– Distractibility

– Inattention

– Motivation

• That is, ability to process input is diminished

Sleep Prepares for Performance

• Too little sleep impairs information retrieval

– Sleepiness

– Irritability

– Distractibility

– Inattention

– Motivation

• That is, ability to access learned information suffers

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Caffeine or other stimulants may help, but they cannot substitute for sleep, especially because…

Consolidation/stabilization/strengthening

Information acquisition

Information retrieval

Filtering

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Carskadon, Pediatr Clin North Am, 2011 

© M.A. Carskadon

Carskadon, Pediatr Clin North Am, 2011 

© M.A. Carskadon

Social Jet Lag

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AcknowledgementsCollaborators/FellowsRon Seifer, PhDChristine Acebo, PhDOskar G. Jenni, MDPeter Achermann, PhDLeila Tarokh, PhDEliza Van Reen, PhDKatherine Sharkey, MD, PhD

Research Assistants

Participants

Lab Staff

Summer Research Apprentices!

Funding SourcesMH52415    MH01358  MH58879AA13252     MH076969  Periodic Breathing Foundation