Abstract The purpose of the study was to examine the cold-induced effects on pineal and thyroid hormones, as well as the associations of these hormones with psychological performance and to determine how psychological performance could be affected by demographic, anthropometric, physiological or biochemical measures during cold acclimatisation. The feasibility of urinary melatonin (MT), rather than 6-sulphatoxymelatonin (aMT6s), as an indicator of MT secretion was also examined. In the laboratory study, seasonal cold acclimatisation, its effects on hormones and their associations with mood and cognition were assessed in 15 young urban subjects exposed to cold in winter or summer in bright or dim light. In the field study, the associations of mood and cognition with demographic, anthropometric, physiological and biochemical measures were determined in healthy, euthyroid subjects (n = 133) in Antarctica in the beginning and at the end of summer and winter seasons. In both seasons, simple task performance was consistently impaired in the cold in experimental and field conditions. In complex tasks, negative, positive and mixed effects were observed. In the experimental study, serum MT and thyroid hormone levels were positively associated with mood. MT was negatively associated with simple task performance. Free triiodothyronine (T3) and thyrotropin (TSH) had mixed effects on simple task performance. TSH was positively associated with complex task performance. In the field study, higher age was associated with impaired cognition, especially in complex task performance. Total T3 was positively associated with mood and total thyroxine (T4) with complex task accuracy. Both urinary MT and aMT6s were good indicators of MT secretion, but the variation was smaller for MT. In conclusion, the associations of serum MT, TSH and thyroid hormone levels with mood and cognition found in experimental and field conditions are consistent with the psychological changes associated with the onset and consequent stages of the previously established polar T3 syndrome. In the field study, cognition and mood were associated with subject’s age and gender, which seemed to affect the physiological changes during acclimatisation to cold and darkness in Antarctica. / Tiivistelmä Tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää kylmäaltistuksen aiheuttamia muutoksia käpy- ja kilpirauhasen hormonien tasoissa, hormonien yhteyttä psyykkiseen toimintakykyyn sekä demografisten, antropometristen, fysiologisten ja biokemiallisten tekijöiden yhteyttä psyykkiseen toimintakykyyn kylmäakklimatisaation aikana. Lisäksi verrattiin virtsan melatoniinin (MT) ja 6-sulfatoksimelatoniinin (aMT6s) soveltuvuutta MT-erityksen kuvaajina. Laboratoriotutkimuksessa selvitettiin talveen liittyvää kylmäsopeutumista, sen vaikutusta hormonitasoihin ja näiden yhteyttä mielialaan ja älylliseen toimintakykyyn 15 nuorella miehellä, jotka altistettiin kylmälle talvella ja kesällä sekä kirkkaassa että hämärässä valossa. Kenttäkokeessa Antarktiksella selvitettiin mielialan ja älyllisen toimintakyvyn sekä demografisten, antropometristen, fysiologisten ja biokemiallisten tekijöiden välistä yhteyttä terveillä henkilöillä (n =  133) kesä- ja talvikauden alussa ja lopussa. Suoriutuminen yksinkertaisista tehtävistä huononi kylmässä kesällä ja talvella sekä laboratorio- että kenttäoloissa. Kylmä vaikutti monimutkaisista tehtävistä suoriutumiseen vaihtelevasti. Laboratoriotutkimuksessa seerumin MT- ja kilpirauhashormonitasot korreloivat positiivisesti mielialan kanssa. MT korreloi negatiivisesti yksinkertaisista tehtävistä suoriutumisen kanssa. Vapaa trijodotyroniini (T3) ja tyrotropiini (TSH) korreloivat vaihtelevasti yksinkertaisista tehtävistä suoriutumisen kanssa. TSH korreloi positiivisesti monimutkaisista tehtävistä suoriutumisen kanssa. Kenttätutkimuksessa korkeampi ikä oli yhteydessä huonontuneeseeen älylliseen toimintakykyyn erityisesti monimutkaisissa tehtävissä. T3:n kokonaismäärä korreloi positiivisesti mielialan ja tyroksiinin (T4) kokonaismäärä monimutkaisista tehtävistä suoriutumisen kanssa. Sekä virtsan MT että aMT6s olivat hyviä MT-erityksen mittareita, mutta MT:ssa vaihtelu oli pienempää. Laboratorio- ja kenttäolosuhteissa havaitut MT:n, TSH:n ja kilpirauhashormonien yhteydet mielialaan ja älylliseen toimintakykyyn vahvistavat aiemmin havaittuja tuloksia polaarisen T3 -oireyhtymän synnystä ja oireyhtymän eri vaiheisiin liittyvistä psyykkisistä muutoksista. Kenttätutkimuksessa mieliala ja älyllinen toimintakyky olivat yhteydessä koehenkilön ikään ja sukupuoleen, jotka puolestaan voivat vaikuttaa fysiologisiin muutoksiin kylmään ilmastoon ja pimeyteen sopeutumisen aikana.

Abstract The purpose of this study was to find out and compare the physiological effects of different types of non-hypothermic cold exposure tests in man. In whole-body cold exposures lightly clothed subjects were exposed to 10°C for 2 hours (single exposure), as well as repeatidly for 2 h and 1 h on ten successive days in separate studies. For local cold exposures, cold pressor tests (immersion into ice-cold water) of both hands and both feet were used. In whole-body cold exposures, several hormonal and metabolic parameters as well as cold sensations were measured. In local cold exposures the measured parameters were blood pressure, heart rate and skin temperatures. The single 2-h whole-body cold air exposure decreased rectal and skin temperatures and body heat content, but increased the metabolic rate. At the same time the serum noradrenaline concentration increased indicating a general activation of the sympathetic nervous system. Serum free fatty acid concentration increased whereas cortisol, GH and prolactin concentrations fell. No significant changes were found in serum concentrations of adrenalin, TSH, T3, T4, testosterone or LH. Serum total proteins were enhanced apparently due to cold-induced hemoconcentration. After repeating the 2-h whole-body cold exposure for five days the increase in serum noradrenaline level was markedly lower in the cold. At the same time hemoconcentration, judged from serum protein concentrations, was attenuated and the subjects became habituated to the cold sensations. However, the results showed that the repeated 1-h cold exposure in 10°C was not sufficiently intensive to reduce the noradrenaline response. Comparison of the hand and foot cold pressor tests to whole-body cold exposure tests showed that all tests caused significant increases in systolic and diastolic blood pressures, but that heart rate increased significantly only in the cold pressor test of feet. During the 2-h cold air exposure the heart rate fell. This caused a reduction in rate pressure product (RPP, the product of heart rate and systolic blood pressure). In both cold pressor tests the rate pressure product increased, indicating the enhancement of the O2-need in the heart muscle. The results showed no significant correlation in systolic or diastolic blood pressures between whole-body and local cooling of hands or feet. The lack of the association between local and whole-body cold exposure tests may be due to differences in severity and site of the tests: whole-body cold exposure tests cause general cold discomfort while cold pressor tests cause local cold pain. / Tiivistelmä Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää ja verrata eri tyyppisten lievien kylmäaltistustestien fysiologisia vaikutuksia ihmiseen. Yksittäisessä koko kehon kylmäaltistuksessa koehenkilöt olivat kevyesti vaatetettuina kahden tunnin ajan 10°C:n lämpötilassa. Toistetussa koko kehon kylmäaltistuksessa koehenkilöt oleskelivat myös 10°C:n lämpötilassa kahden tai yhden tunnin ajan kymmenenä perättäisenä päivänä. Paikallisessa kylmäaltistuksessa käytettiin kylmävesitestiä (ns. cold pressor koe). Testi tehtiin sekä käsille että jaloille. Koko kehon kylmäaltistuksessa mitattiin useita hormonaalisia, aineenvaihdunnan ja lämpötasapainon vasteita, sekä verenpainetta ja sydämen syketiheyttä. Paikallisissa kylmäaltistuksissa mitattiin verenpainetta, sydämen syketiheyttä ja iholämpötiloja. Yksittäinen koko kehon kahden tunnin kylmäaltistus laski syvälämpötilaa, iholämpötiloja ja kehon lämpösisältöä. Samanaikaisesti kehon lämmöntuotanto kasvoi. Seerumin noradrenaliinipitoisuus lisääntyi ilmentäen sympaattisen hermoston tehostunutta aktivoitumista. Seerumin vapaiden rasvahappojen pitoisuus kasvoi, samoin kokonaisproteiinipitoisuus, mutta kasvuhormonin, kortisolin ja prolaktiinin osalta todettiin pitoisuuksien vähenemistä. Merkitseviä muutoksia ei tapahtunut seerumin adrenaliinissa, TSH:ssa, T3:ssa, T4:ssä, testosteronissa tai LH:ssa. Toistetussa kahden tunnin pituisessa kylmäaltistuksessa seerumin noradrenaliinipitoisuudessa tapahtunut kasvu oli merkitsevästi vähäisempää viiden päivän jälkeen. Samanaikaisesti seerumin proteiinipitoisuus kylmässä väheni ja kylmätuntemukset muuttuivat lievemmiksi. Sen sijaan yhden tunnin toistettu altistus 10°C:ssa ei ollut riittävän voimakas vähentämään kylmän aiheuttamaa veren noradrenaliinipitoisuuden kasvua. Verenpaineen ja sydämen syketiheyden reaktioita verrattiin samoilla koehenkilöillä yksittäisessä kahden tunnin koko kehon kylmäaltistuksessa ja kylmävesitesteissä. Kaikki nämä testit kohottivat merkitsevästi systolista ja diastolista verenpainetta. Sydämen syketiheys laski koko kehon kylmäaltistuksessa. Jalkojen kylmävesitestissä sydämen syketiheys nousi merkitsevästi, mutta käsien testissä tämä nousu ei ollut merkitsevä. Verenpaineen nousu koko kehon kylmäaltistuksessa ei korreloinut merkitsevästi paikallisissa kylmäaltistuksissa mitattuihin verenpaineen nousuihin. Selittävänä tekijänä tähän lienee näiden kylmäaltistusmuotojen erilaisuus. Lievä koko kehon kylmäaltistus aiheuttaa yleistä epämiellyttävyyttä, kun taas äkilliseen, nopean iholämpötilan laskun aiheuttamaan paikalliseen kylmäaltistukseen liittyy usein kiputuntemuksia.