Một biến thể của một hình ảnh minh hoạ của Eskin cho thấy ảnh hưởng của ánh sáng và bóng tối đối với nhịp điệu sinh học và sinh lý và hành vi liên quan qua suprachiasmatic nucleus (vùng nhỏ trong não trên vùng dưới đồi) trong con người.

Đồng hồ nhịp điệu nguyên thủy đầu tiên ở động vật có vú được đặt trong suprachiasmatic nucleus (SCN), một cặp nhóm tế bào riêng biệt nằm trên vùng dưới đồi. Tiêu hủy SCN đưa đến sự vắng mặt hoàn toàn của một nhịp điệu thức ngủ bình thường. SCN nhận được thông tin về ánh sáng qua mắt. Võng mạc của mắt chứa thụ thể ánh sáng "cổ điển" (tế bào "rods" và "cones"), được sử dụng cho tầm nhìn thông thường. Tuy nhiên, võng mạc cũng chứa các tế bào võng mạc hạch (RGC) chuyên biệt trực tiếp nhạy cảm với ánh sáng và chiếu trực tiếp vào SCN, nơi chúng giúp đỡ trong quá trình đồng bộ hóa đồng hồ sinh học này.[44]

Các tế bào này chứa sắc tố nhạy với ánh sáng (photopigment) melanopsin và tín hiệu của chúng theo một tuyến đường được gọi là đường retinohypothalamic, dẫn đến SCN. Nếu các tế bào từ SCN được lấy ra và nuôi cấy, chúng sẽ duy trì nhịp điệu của chính mình trong sự vắng mặt các tín hiệu bên ngoài.[45]

SCN lấy thông tin về chiều dài của ngày và đêm từ võng mạc, diễn giải nó, và chuyển nó tới tuyến tùng, một cấu trúc nhỏ xíu hình nón thông và nằm trên vùng trên đồi (epithalamus). Để đáp ứng, tuyến tùng tiết ra hóc môn melatonin. Sự tiết melatonin đạt tới đỉnh vào ban đêm và hạ xuống vào ban ngày và sự hiện diện của nó cung cấp thông tin về chiều dài ban đêm. [cần dẫn nguồn]

Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng melatonin của tuyến tùng phản hồi theo nhịp điệu SCN để điều chỉnh các mô hình mỗi ngày về hoạt động và các quá trình khác. Tuy nhiên, bản chất và tầm quan trọng cấp hệ thống của phản hồi này vẫn không được biết[46].

Các nhịp điệu sinh học mỗi ngày của con người có thể điều chỉnh thành những thời kỳ ngắn hơn và dài hơn một chút so với 24 giờ của Trái đất. Các nhà nghiên cứu tại Đại học Harvard đã chỉ ra rằng các đối tượng con người ít nhất có thể được điều chỉnh thành chu kỳ 23,5 giờ và chu kỳ 24,65 giờ (chu kỳ sau là chu kỳ mặt trời ngày-đêm tự nhiên trên hành tinh sao Hoả) [47].

Con người

Nghiên cứu trước đây về các nhịp điệu sinh học hàng ngày cho thấy hầu hết mọi người thích một ngày gần 25 giờ hơn khi cô lập với các kích thích bên ngoài như ánh sáng ban ngày và thời gian. Tuy nhiên, nghiên cứu này đã bị lỗi vì nó không thể che chắn cho người tham gia khỏi ánh sáng nhân tạo. Mặc dù các đối tượng được che chắn bởi các tín hiệu thời gian (như đồng hồ) và ánh sáng ban ngày, các nhà nghiên cứu đã không nhận thức được các hiệu ứng trì hoãn giai đoạn của đèn điện trong nhà [48][Còn mơ hồ – thảo luận] Các đối tượng được phép bật đèn khi thức giấc và tắt nó khi muốn ngủ. Đèn điện vào buổi tối trì hoãn giai đoạn nhịp điệu sinh học. [cần dẫn nguồn] Một nghiên cứu nghiêm ngặt hơn được tiến hành vào năm 1999 bởi Đại học Harvard ước tính nhịp điệu của con người tự nhiên được gần 24 giờ và 11 phút: gần ngày mặt trời hơn nhiều.[49]

Dấu hiệu và tác động sinh học

Các đánh dấu phân giai đoạn cổ điển để đo thời gian của nhịp điệu sinh học hàng ngày của một động vật có vú là:

1. Bài tiết melatonin bởi tuyến tùng,[50]
2. cơ thể nhiệt độ tối thiểu,[50] và
3. nồng độ cortisol trong huyết tương. [[cần dẫn nguồn]

Đối với các nghiên cứu về nhiệt độ, các đối tượng phải tiếp tục tỉnh táo nhưng bình tĩnh và dựa vào gần bóng tối, trong khi nhiệt độ hậu môn của họ được lấy liên tục. Mặc dù sự biến đổi là rất tốt trong thời kỳ bình thường, nhiệt độ trung bình của người trưởng thành ở mức tối thiểu vào khoảng 5 giờ sáng, khoảng hai giờ trước khi thức giấc bình thường. Baehr và cộng sự [51] phát hiện ra rằng, ở người trưởng thành trẻ tuổi, nhiệt độ cơ thể hàng ngày tối thiểu xảy ra vào khoảng 04 giờ sáng đối với những người sống ban ngày nhưng vào khoảng 6 giờ sáng cho những người sống ban đêm. Mức tối thiểu này xảy ra vào khoảng giữa khoảng thời gian ngủ 8 giờ đối với người sống ban ngày, nhưng gần với giờ thức của những người sống ban đêm.

Melatonin vắng mặt trong hệ thống hoặc thấp trong thời gian ban ngày. Sự khởi đầu của nó trong ánh sáng mờ (DLMO) vào khoảng 21:00 (9 giờ tối) có thể được đo trong máu hoặc nước bọt. Chất chuyển hóa chính của nó cũng có thể được đo bằng nước tiểu buổi sáng. Cả hai DLMO và trung điểm (trong thời gian) của sự hiện diện của hooc môn trong máu hoặc nước bọt đã được sử dụng như là dấu hiệu tuần hoàn mỗi ngày. Tuy nhiên, nghiên cứu mới hơn chỉ ra rằng sự lắng đọng của melatonin có thể là điểm đánh giá đáng tin cậy hơn. Benloucif và cộng sự [50] thấy rằng các dấu hiệu đánh dấu giai đoạn melatonin ổn định hơn và có tương quan cao hơn với thời gian ngủ hơn so với nhiệt độ cơ thể tối thiểu. Họ thấy rằng cả cuối giấc ngủ và sự lắng đọng của melatonin có tương quan mạnh hơn dấu hiệu giai đoạn bắt đầu ngủ. Ngoài ra, giai đoạn suy giảm của melatonin là đáng tin cậy hơn và ổn định hơn là sự chấm dứt tổng hợp melatonin.

Các thay đổi về sinh lý khác xảy ra theo nhịp sinh học bao gồm nhịp tim và nhiều quá trình tế bào "bao gồm ứng kích ôxi hóa, trao đổi chất tế bào, đáp ứng miễn dịch và viêm, thay đổi biểu sinh (Epigenetics), giảm đáp ứng miễn dịch / hyperoxia, căng thẳng mô tế bào nội tạng, sự tự thực bào (autophagy) và điều chỉnh môi trường tế bào gốc".[52] Trong một nghiên cứu về thanh niên, người ta phát hiện ra rằng nhịp tim đạt đến tốc độ trung bình thấp nhất trong thời gian ngủ, và tỷ lệ trung bình cao nhất ngay sau khi thức dậy [53].

Ngược lại với các nghiên cứu trước đây, người ta nhận thấy rằng không có ảnh hưởng gì đến nhiệt độ cơ thể đối với các thử nghiệm tâm lý. Điều này có thể là do các áp lực tiến hoá cho chức năng nhận thức cao hơn so với chức năng các khu vực khác mà được xem xét trong các nghiên cứu trước đó.[54]

Bên ngoài "đồng hồ chủ"

Các nhịp sinh học độc lập nhiều hay ít được tìm thấy ở nhiều cơ quan và tế bào trong cơ thể bên ngoài suprachiasmatic nucleus (SCN), "đồng hồ chủ". Thực vậy, nhà thần kinh học Joseph Takahashi và các đồng nghiệp tuyên bố trong một bài báo năm 2013 rằng "hầu hết các tế bào trong cơ thể đều chứa một đồng hồ sinh học." [55] Ví dụ, những đồng hồ này, được gọi là các dao động ngoại vi, đã được tìm thấy ở tuyến thượng thận, thực quản, phổi, gan, tuyến tụy, lá lách, tuyến ức, và da.[56],[57] Cũng có một số bằng chứng cho thấy rằng khứu giác [58] và tuyến tiền liệt [59] có thể trải qua các dao động, ít nhất là khi được nuôi cấy.

Mặc dù các dao động trong da phản ứng với ánh sáng, một ảnh hưởng hệ thống vẫn chưa được chứng minh.[60] Thêm vào đó, nhiều bộ dao động, ví dụ như tế bào gan, đã được chứng minh là phản ứng với các đầu vào khác với ánh sáng, chẳng hạn như ăn uống.[61]