Кіріспе

Мидың гипоталамусының бөлігі. Супрахиазматикалық ядро немесе ядролар (SCN) – мидың гипоталамусындағы шағын аймақ, ол оптикалық хиазманың тікелей үстінде орналасқан. Бұл сүтқоректілердегі негізгі циркадтық ритмдік жүйе, циркадтық ырғақтарды жасауға жауапты. Жарыққа сезімтал торлы қабаттың ганглиялық жасушаларынан түсетін жарық сигналдарын қабылдау арқасында, ол организмнің бағынышты жасушалық сағаттарын үйлестіріп, сыртқы ортамен синхронды жұмыс істеуіне мүмкіндік береді. Ол тудыратын нейрондық және гормоналды белсенділік шамамен 24 сағаттық циклде көптеген дене функцияларын реттейді. Роберт Мур сүтқоректілерде SCN негізгі циркадтық ритмдік жүйе екенін алғаш ұсынды. Ол кеміргіштерде ретиногипоталамустық проекцияның қай жерде аяқталуын анықтау үшін радиоактивті аминқышқылдарын қолданып тәжірибелер жүргізді. Егеуқұйрық, қаракұйрық, мысық және опоссумдағы алғашқы зақымдану тәжірибелері SCN-ді алып тастаудың сүтқоректілерде циркадтық ырғақтың жойылуына қалай әкелетінін көрсетті.

Нейроанатомия

SCN гипоталамустың алдыңғы бөлігінде, оптикалық киазманың тікелей жоғары жағында (сондықтан супра-) екі жақты орналасқан, яғни үшінші қарыншаның екі шетінде. Ол шамамен 10 000 нейроннан тұратын екі ядродан құралған. Әртүрлі жасушалық фенотиптердің SCN-ның белгілі бір аймақтарында таралуы, мысалы VP IR нейрондарының шоғырлануы, SCN пішінінің өзгеруіне алып келуі мүмкін. Бұл аймақтар сағат гендерінің экспрессиясы бойынша ерекшеленеді: ядро оларды стимулдарға жауап ретінде көрсетеді, ал қабықша тұрақты түрде көрсетеді. Проекциялар тұрғысынан алғанда, ядро үш негізгі жол арқылы иннервация алады: ретиногипоталамустық тракт, геникулогипоталамустық тракт және кейбір рафе ядроларынан проекциялар.

Циркадтық сағат

Бактериялар, өсімдіктер, саңырауқұлақтар және жануарлар сияқты әртүрлі организмдер шамамен 24 сағаттық генетикалық негізделген ырғақтарды көрсетеді. Бұл сағаттардың бәрі ұқсас генетикалық кері байланыс циклына негізделген болып көрінеді, бірақ әрбір патшалықтағы нақты гендердің өздігінен дамыған деп саналады. Сүтқоректілердің мінез-құлқы мен физиологиясының көптеген аспектілері циркадтық ырғақтылықты көрсетеді, оның ішінде ұйқы, физикалық белсенділік, сергектік, гормон деңгейі, дене температурасы, иммундық функция және ас қорыту белсенділігі. SCN функциясы бойынша алғашқы тәжірибелер хомяктардың SCN-ін зақымдаумен байланысты. SCN зақымдалған хомяктар өздерінің күнделікті белсенділік ырғағын жоғалтты. Бұл деректер SCN-нің "бағынышты тербелістерді" синхрондау арқылы организмдегі бақылауды сақтайтын модельді ұсынады, олар өздерінің шамамен 24 сағаттық ырғақтарын көрсетеді және жергілікті тіндердегі циркадтық құбылыстарды басқарады. SCN ретиногипоталамус жолы арқылы торлы қабаттағы арнайы фотосезімді ганглиондық жасушалардан сигнал алады. Вентролатеральді SCN (vlSCN) нейрондары жарықтан туындаған ген экспрессиясына қабілетті. Меланопсин құрамындағы торлы қабаттың ганглиондық жасушалары ретиногипоталамус жолы арқылы тікелей байланысқа ие. Дорсомедиалдық SCN (dmSCN) нейрондарының 24 сағаттық эндогендік ырғағы бар деп есептеледі, ол тұрақты қараңғылықта сақталуы мүмкін (адамдарда шамамен 24 сағат 11 минут). ГАБАергиялық механизм SCN-нің вентральді және дорсальді аймақтарының байланысына қатысады.

Эндотермиялық (жылы қанды) және эктотермиялық (салқын қанды) омыртқалы жануарлардың циркадиандық ырғақтары

Метаболистік процестердің тікелей нейрондық реттелуі және циркадтық ырғақпен бақыланатын мінез-құлық туралы мәліметтер эндотермиялық немесе эктотермиялық омыртқалы жануарлардың ешқайсысы үшін толыққанды белгілі емес, бірақ сүтқоректілер тышқандары және эктотермиялық бауырымен жорғалаушылар, әсіресе кесірткелер сияқты модельдік жануарларда SCN-ге қатысты кең ауқымды зерттеулер жүргізілген. SCN ретиногипоталамус жолының иннервациясы арқылы фоторецепцияға ғана емес, сонымен қатар гомеотермияға қабілетті омыртқалы жануарлардың терморегуляциясына, сондай-ақ эктотермиялық омыртқалы жануарлардағы циркадтық сағаттың қозғалыс және басқа да мінез-құлықтық проявлениеларын реттеуге қатысатыны белгілі. Екі омыртқалы жануарлар класы арасындағы мінез-құлық айырмашылықтары, SCN-нің құрылымдық және функционалдық ерекшеліктерімен, сондай-ақ гипоталамусқа жақын орналасқан басқа да ядролармен салыстырғанда, осы мінез-құлықтардың әртүрлі циркадтық реттеудің нәтижесі екенін көрсетеді. Омыртқалы жануарлардың циркадтық реттелетін мінез-құлықтарында SCN-нің тікелей және жанама рөлдерін толық анықтау үшін көптеген нейроэтологиялық зерттеулер қажет.

Эндотермдер мен эктотермдердің SCN

Жалпы алғанда, сыртқы температура эндотермиялық жануарлардың циркадтық ырғағына әсер етпейді, себебі бұл жануарлар гомеостаздық терморегуляция арқылы дене температурасын тұрақты ұстай алады; алайда, сүтқоректілердегі перифериялық осцилляторлар (Циркадтық ырғаққа қараңыз) температуралық импульстарға сезімтал және циркадтық сағаттың фазасын қайта орнатуға, сондай-ақ оған байланысты генетикалық экспрессияға түрткіс береді. Бұл перифериялық циркадтық осцилляторлардың SCN-дегі бас осциллятор болғанына қарамастан, бір-бірінен бөлек болуы мүмкін екенін көрсетеді. Бұл эндотермиялық және эктотермиялық омыртқалы жануарлар арасындағы эволюциялық байланысқа нұсқау береді, себебі эктотермиялық жануарлар циркадтық ырғақтары мен мінез-құлқына қоршаған ортаның температурасының әсерін сезінеді, ал эндотермиялық жануарлар сыртқы температура өзгерістеріне төзімді, эволюциялаған SCN-ге ие және циркадтық осцилляторларын синхрондау үшін фоторецепцияны пайдаланады. Осылайша, циркадтық реттеу сүтқоректілердің гомеостазды сақтау үшін жасайтын көптеген терморегуляциялық мінез-құлықтарының тікелей және жанама әсерін қамтиды. Кедір-құрттар: әртүрлі жарық және қараңғы жағдайларда SCN-нің циркадтық тербелісті жасушаларында экспрессияланатын гендер, сондай-ақ жорғалаушылардағы жеңіл гипотермияның әсерлері зерттелді. Құрылымы тұрғысынан, кедір-құрттардың SCN-і тышқандардың SCN-іне ұқсас, дорсомедиалдық бөлігі мен вентролатеральді ядросы бар. Алайда, циркадтық байланысты Per2 генінің генетикалық экспрессиясы кедір-құрттарда, жорғалаушылар мен құстардағыға ұқсас, бірақ құстарда ерекше SCN құрылымы бар екені белгілі – ол латеральді және медиальді бөліктерден тұрады. Кедір-құрттардың SCN-ін зерттеу, олардың кішкентай дене мөлшері мен эктотермиясы омыртқалылардың бұл класының циркадтық ырғақтың динамикасы шеңберінде мінез-құлқын қалай өзгертетінін түсіну үшін құнды, бірақ суыққан омыртқалылардың жүйелері SCN-дегі белсенділіктің төмендеуінен баяулаған ба, әлде гипотермиядан метаболикалық белсенділіктің төмендеуінен ба, әлі анықталған жоқ. Претектум көздің қарамағының мөлшерін реттейді.

SCN функциясының генетикалық негізі

SCN – сүтқоректілердің орталық циркадтық серпімталдығы, сүтқоректілердің циркадтық ырғақтарын үйлестіруші қызметін атқарады. Бұзылмаған SCN-дегі нейрондар электрлік белсенділікте үйлесімді циркадтық ырғақтарды көрсетеді. SCN-нен бөліп алынған нейрондар in vitro жағдайында циркадтық ырғақтарды тудыратыны және сақтайтыны көрсетілген, бұл SCN-нің әрбір жеке нейроны жасушалық деңгейде дербес циркадтық осциллятор ретінде жұмыс істей алатынын көрсетеді. SCN-нің әрбір жасушасы өзінің осцилляцияларын айналасындағы жасушалармен синхрондастырады, нәтижесінде SCN-нің бас сағатын құрайтын, бір-бірін күшейтетін және нақты осцилляциялар желісі пайда болады.

Сүтқоректілер

SCN тіршілік ететін омыртқалы жануарларда, соның ішінде телеостарда, бауырымен жорғалаушыларда, құстарда және сүтқоректілерде циркадиандық биологиялық сағат ретінде жұмыс істейді. Сүтқоректілерде SCN өндіретін ырғақтар өзара әрекеттесетін оң және теріс транскрипциялық кері байланыс циклдарынан тұратын транскрипция-аударма-теріс кері байланыс циклы (TTFL) арқылы басқарылады. SCN клеткасының ядросында Clock және Bmal1 (mop3) гендері BHLH PAS транскрипциялық факторларын CLOCK және BMAL1 (MOP3) кодтайды. CLOCK және BMAL1 – CLOCK BMAL1 гетеродимерлерін құрайтын оң белсендірушілер. Бұл гетеродимерлер бірнеше гендердің, соның ішінде per және cry, E қораптарына байланысып, олардың транскрипциясын және соңғы аудармасын күшейтеді және ынталандырады. Нәтижесінде PER және CRY теріс репрессорлар ретінде жұмыс істейді және per және cry транскрипциясын тежейді. Уақыт өте келе PER CRY гетеродимерлері ыдырайды және цикл шамамен 24,5 сағаттан кейін қайта басталады. "Сағат гендері" деп аталатын интегралды гендер ми, тышқан және құс сияқты SCN-ге ие омыртқалы жануарларда, сондай-ақ Drosophila сияқты SCN-ге ие емес жануарларда жоғары сақталған.

Электрофизиология

SCN нейрондары 24 сағаттық ырғақта, тіпті тұрақты жағдайда да әрекет потенциалын тудырады. Күн ортасында атыс жиілігі максималды деңгейге жетеді, ал түнгі уақытта қайтадан төмендейді. SCN-дегі циркадтық реттеуші гендердің ырғақты экспрессиясы SCN нейрондарының кальций және cAMP арқылы деполяризациялануын талап етеді. Симпатикалық ядролар бүйрек үсті безінен глюкокортикоидтардың шығарылуын стимуляциялайды, бұл дене жасушаларында Per1-ді белсендіріп, денедегі жасушалардың циркадтық циклін қайта орнатады. Жарықтың реакциясы циркадтық ырғақтарға жарықтың әсерімен байланысты болуы мүмкін. Сонымен қатар, тірі егешқұйрықтарға және оқшауланған SCN жасушаларына мелатонин енгізу осы нейрондардың атыс жиілігін төмендетуі мүмкін. Ұйқысыздық, маусымдық өзгерістер және тұрақты жарық жағдайларына байланысты жарық түсуінің өзгеруі SCN нейрондарының атыс ырғағын өзгертеді, бұл жарық пен SCN нейрондарының жұмысы арасындағы байланысты көрсетеді. Көптеген уақытын үй ішінде өткізіп, жарыққа ұшырауын шектеген адамдарда түнгі мелатонин өндірісі төмендейді. Түнде мелатонин өндірісінің төмендеуі SCN-нің түнгі ояулығын күшейтеді, бұл ұйқының бұзылуына әкеледі. Депрессиямен (MDD) ауыратын науқастардың миындағы сағат гендерін экспрессиялайтын ырғақ әлсірейді. Тышқандармен жүргізілген зерттеуде SCN ырғақтары бұзылғанда, алаңдаушылыққа ұқсас мінез-құлық, салмақ қосу, көнбеу және бейшаралық туралы хабарланды. SCN-де Bmal1 экспрессиясы жоқ тышқандарда глюкокортикоидтардың бұзылған деңгейі анықталды. SCN және мелатонин секрециясының өзгеруі циркадтық ырғақтың бұзылуына себеп болатын маңызды факторлар болып табылады. Бұл бұзылулар ұйқының қалыпты физиологиясын өзгертеді, мысалы биологиялық сағатты және демалыс кезіндегі дене температурасын. Альцгеймер (AD) ауруымен ауыратын науқастарда SCN дегенерациясы және маңызды нейротрансмиттерлердің концентрациясының өзгеруі нәтижесінде ұйқысыздық, гиперсомния және басқа да ұйқы бұзылыстары пайда болады.