Циркадные ритмы: клеточные и молекулярные механизмы нейронов
Особо важную роль в жизнедеятельности животных имеют циркадные ритмы, контролирующие суточный цикл и цикл сон-борствование. В отсутствие каких-либо внешних сигналов, 24-часовые ритмические циклы поддерживаются внутренними часами в течение продолжительного времени (недели и месяцы) как у беспозвоночных, так и у позвоночных, и даже в эксплантатах и культурах нейронов. Внутренний механизм синхронизации может быть изменен (или "навязан?") воздействием регулярно чередующихся световых и темновых стимулов. Вегетативные функции находятся под сильным влиянием биологических часов, которые действуют на шишковидную железу и секрецию мелатонина .
Сведения о клеточных и молекулярных механизмах, позволяющих нейронам обеспечивать регулярные суточные циклы, были получены как на беспозвоночных, так и на позвоночных. Например, в зрительных путях ракообразных существует скопление секреторных нервных клеток, называемое глазным стебельком (eyestalk) . В этой структуре можно поддерживать ритмы метаболической активности, секреции и импульсных разрядов, даже если изолированный орган поддерживается в культуре. На такой органотипической культуре было проведено отведение электрической активности пейсмекерных клеток, охарактеризованы пептиды, выделяемые этими клетками, и проанализированы механизмы их действия. Более того, было показано, что ритм активности пейсмекерных нейронов в культуре может быть изменен путем навязывания чередующихся световых и темновых периодов. Примеры циркадных ритмов, генерируемых клетками в культуре, показаны на рис. 16.10 и рис. 16.11 .
У теплокровных ключевой структурой в гипоталамусе для генерации ритма внутренних часов является супрахиазматическое ядро (SCN) . Важным входом этого ядра является проекция глаза . После разрушения супрахиазматического ядра у крыс теряется способность настраивать эндогенный ритм на частоту чередования световых и темновых периодов. Двигательная активность, потребление воды, циклы сна-бодрствования и гормональной секреции нарушаются. Если трансплантировать эмбриональные ткани гипоталамуса, содержащие SCN, хозяину, ритмическая активность которого была предварительно нарушена полным удалением SCN, то ритм его деятельности восстанавливается с новым периодом, соответствующем генотипу донора.
В нейронах супрахиазматического ядра частота спонтанных потенциалов действия увеличивается в течение дня и снижается ночью, как показано на рис 16.12 . За счет какого механизма устанавливается этот ритм? Этот вопрос был исследован на срезах SCN, поддерживаемых в культуре (органотипичесике срезы). Показано, что основным медиатором, используемым нейронами этого ядра, является ГАМК . Бром и коллеги показали, что нейроны SCN в срезах отвечают на ГАМК деполяризацией и повышением частоты разрядов в течение дня (рис. 16.12 А). Та же концентрация ГАМК, апплицированная ночью, вызывает гиперполяризацию и снижение частоты разрядов ( рис. 16.12 В). Следовательно, как и в развивающейся ЦНС, ГАМК может быть как возбуждающим так и тормозным медиатором. Тип ответа зависит от уровня внутриклеточной концентрации хлора . Как описано в главе 5 , если концентрация хлора внутри клетки низка, то хлорный потенциал равновесия (Еа) более отрицателен, чем потенциал покоя . Открывание ГАМК-чувствительных каналов позволяет ионам хлора входить в клетку и гиперполяризовать мембрану. С увеличением внутриклеточной концентрации хлора, Еа сдвигается в сторону более положительных, по сравнению с потенциалом покоя, значений. В результате ГАМК вызывает движение ионов хлора из клетки наружу и увеличивает деполяризацию (см. также Gribkoff, 1999 как альтернативную схему генерации ритма). Неизвестно, является ли изменение внутриклеточной концентрации хлора единственным механизмом, ответственным за генерацию ритма в нейронах SCN, и каков механизм, ответственный за изменения этой концентрации.
Генетическими методами были выявлены общие белки, которые в "царстве животных" связаны с периодичностью . Гены и белки, контролирующие циркадные ритмы, идентифицированы у клонированы у дрозофилы . У многих видов два таких белка, известные как белок per (period, период ) и белок frq (frequency, частота) , были обнаружены в пейсмекерных областях , таких как супрахиазматическое ядро . У мух выключение гена per приводит к исчезновению циркадного ритма. Последующее включение этого гена восстанавливает ритм. Хотя пока не выявлено прямых свтзей между регуляторными белками и уровнем внутриклеточного хлора , важно то, что теперь мы можем пытаться объяснить циркадные ритмы с точки зрения генов и ионных концентраций на хорошо установленных группах нейронов.
