Введение

Часть гипоталамуса мозга. Супрахиазматическое ядро или ядра (SCN) — это небольшая область мозга в гипоталамусе, расположенная непосредственно над зрительным перекрестом. Оно является главным циркадным регулятором у млекопитающих, ответственным за генерацию циркадных ритмов. Восприятие световых сигналов от фоточувствительных ганглиозных клеток сетчатки позволяет ему координировать подчиненные клеточные часы организма и синхронизироваться с окружающей средой. Нейронная и гормональная активность, которую оно генерирует, регулирует множество различных функций организма в приблизительно 24-часовом цикле. Идея о том, что SCN является основным циркадным регулятором у млекопитающих, была предложена Робертом Муром, который провел эксперименты с использованием радиоактивных аминокислот, чтобы определить место окончания ретиногипоталамической проекции у грызунов. Ранние эксперименты по разрушению SCN у мышей, морских свинок, кошек и опоссумов показали, что удаление SCN приводит к нарушению циркадных ритмов у млекопитающих.

Нейроанатомия

SCN расположен в передней части гипоталамуса непосредственно за, или выше (отсюда и "супра") зрительного перекреста, билатерально (с обеих сторон) третьего желудочка. Он состоит из двух ядер, каждое из которых содержит около 10 000 нейронов. Распределение различных типов клеток в определенных областях SCN, например, концентрация нейронов, иммунореактивных к вазопрессину (VP IR), может влиять на форму SCN. Эти области различаются по экспрессии генов циркадных ритмов: ядро экспрессирует их в ответ на стимулы, а оболочка – конститутивно. Что касается проекций, ядро получает иннервацию по трем основным путям: ретиногипоталамусному тракту, геникуло-гипоталамусному тракту и проекциям от некоторых ядер рафе.

Циркадные часы

Различные организмы, такие как бактерии, растения, грибы и животные, демонстрируют генетически обусловленные околосуточные ритмы. Хотя все эти часы, по-видимому, основаны на аналогичном типе генетической обратной связи, считается, что конкретные гены, участвующие в этом процессе, эволюционировали независимо в каждом царстве. Многие аспекты поведения и физиологии млекопитающих проявляют циркадную ритмичность, включая сон, физическую активность, бодрствование, уровень гормонов, температуру тела, иммунную функцию и пищеварительную активность. Ранние эксперименты по изучению функции SCN заключались в повреждении SCN у хомяков. Хомяки с повреждением SCN утратили свои суточные ритмы активности. Все вместе, эти данные позволяют предположить модель, в которой SCN поддерживает контроль над всем организмом, синхронизируя "подчиненные осцилляторы", которые демонстрируют собственные околосуточные ритмы и контролируют циркадные явления в локальных тканях. SCN получает информацию от специализированных светочувствительных ганглиозных клеток сетчатки через ретиногипоталамусный тракт. Нейроны в вентролатеральной части SCN (vlSCN) обладают способностью к светоиндуцированной экспрессии генов. Ганглиозные клетки сетчатки, содержащие меланопсин, имеют прямое соединение с вентролатеральной SCN через ретиногипоталамусный тракт. Считается, что нейроны в дорсомедиальной части SCN (dmSCN) обладают эндогенным 24-часовым ритмом, который может сохраняться в условиях постоянной темноты (у человека в среднем около 24 часов 11 минут). ГАМК-ергический механизм участвует в связи между вентральной и дорсальной областями SCN.

Циркадные ритмы эндотермических (теплокровных) и эктотермических (холоднокровных) позвоночных

Информация о прямой нейронной регуляции метаболических процессов и поведения, контролируемого циркадными ритмами, недостаточно изучена у эндотермических и эктотермических позвоночных, хотя обширные исследования были проведены на супрахиазматическом ядре (SCN) у модельных животных, таких как млекопитающие мыши и эктотермические рептилии, в частности ящерицы. SCN известно не только как орган фоторецепции благодаря иннервации от сетчатко-гипоталамусного тракта, но и как регулятор терморегуляции у позвоночных, способных к гомеотермии, а также регулятор локомоции и других поведенческих проявлений циркадных часов у эктотермических позвоночных. Различия в поведении между этими классами позвоночных, в сравнении со структурой и свойствами SCN, а также с характеристиками различных ядер, расположенных вблизи гипоталамуса, позволяют понять, как эти различия в поведении являются следствием различной циркадной регуляции. В конечном итоге, для полного выяснения прямой и косвенной роли SCN в поведении позвоночных, регулируемом циркадными ритмами, необходимо проведение многочисленных нейроэтологических исследований.

SCN эндотерм и эктотерм

В целом, внешняя температура не влияет на циркадный ритм эндотермических животных благодаря их способности поддерживать постоянную температуру тела посредством гомеостатической терморегуляции; однако периферические осцилляторы (см. циркадный ритм) у млекопитающих чувствительны к температурным импульсам и подвергаются сдвигу фазы циркадных часов и соответствующему изменению генетической экспрессии, что позволяет предположить, что периферические циркадные осцилляторы могут функционировать как отдельные единицы, несмотря на наличие главного осциллятора в SCN. Это отражает потенциальную эволюционную связь между эндотермическими и эктотермическими позвоночными, поскольку эктотермы зависят от температуры окружающей среды для влияния на свои циркадные ритмы и поведение, в то время как эндотермы развили SCN, устойчивый к внешним колебаниям температуры, и используют фоторецепцию для синхронизации циркадных осцилляторов в SCN. Таким образом, этот циркадный контроль включает в себя как прямое, так и косвенное влияние многих терморегулирующих поведенческих реакций, которые млекопитающие используют для поддержания гомеостаза. Ящерицы рода *Ruin*: Проведены многочисленные исследования генов, экспрессируемых в циркадно колеблющихся клетках SCN в различных условиях освещения, а также влияния индукции умеренной гипотермии на рептилий. В плане структуры SCN ящериц больше похожи на таковые у мышей, имея дорсомедиальную часть и вентролатеральное ядро. Однако генетическая экспрессия циркадного гена Per2 у ящериц аналогична таковой у рептилий и птиц, несмотря на то, что у птиц известна отличная структура SCN, состоящая из латеральной и медиальной частей. Изучение SCN ящериц, благодаря небольшому размеру тела и эктотермии этих животных, имеет большую ценность для понимания того, как этот класс позвоночных модифицирует свое поведение в динамике циркадного ритма, но пока не установлено, замедлились ли системы холоднокровных позвоночных в результате снижения активности SCN или показали снижение метаболической активности из-за гипотермии. Претектум контролирует размер зрачка.

Генетическая основа функции SCN

SCN является центральным циркадным пейсмекером млекопитающих, выступая в качестве координатора циркадных ритмов млекопитающих. Нейроны в интактном SCN демонстрируют согласованные циркадные ритмы электрической активности. Показано, что нейроны, изолированные от SCN, способны генерировать и поддерживать циркадные ритмы in vitro, что указывает на то, что каждый отдельный нейрон SCN может функционировать как независимый циркадный осциллятор на клеточном уровне. Каждая клетка SCN синхронизирует свои колебания с окружающими клетками, формируя сеть взаимно поддерживаемых и точных колебаний, составляющую главный циркадный «часовой механизм» SCN.

млекопитающие

SCN функционирует как циркадные биологические часы у позвоночных, включая телеостов, рептилий, птиц и млекопитающих. У млекопитающих ритмы, производимые SCN, регулируются транскрипционно-трансляционной петлей отрицательной обратной связи (TTFL), состоящей из взаимодействующих положительных и отрицательных транскрипционных петель обратной связи. Внутри ядра клетки SCN гены *Clock* и *Bmal1* (mop3) кодируют факторы транскрипции BHLH-PAS CLOCK и BMAL1 (MOP3) соответственно. CLOCK и BMAL1 являются положительными активаторами, которые формируют гетеродимеры CLOCK-BMAL1. Эти гетеродимеры затем связываются с E-боксами в промоторных областях множества генов, включая *per* и *cry*, для усиления и стимуляции их транскрипции и последующего трансляции. В результате PER и CRY функционируют как отрицательные репрессоры и ингибируют транскрипцию генов *per* и *cry*. Со временем гетеродимеры PER-CRY деградируют, и цикл начинается заново с периодом около 24,5 часов. Ключевые гены, участвующие в этом процессе, называемые "генами часов", высоко консервативны как у позвоночных, имеющих SCN, таких как мыши, крысы и птицы, так и у животных, не имеющих SCN, таких как дрозофила.

Электрофизиология

Нейроны в SCN генерируют потенциалы действия в суточном ритме, даже в постоянных условиях. В полдень частота генерации достигает максимума, а ночью снова снижается. Ритмическая экспрессия циркадных регуляторных генов в SCN требует деполяризации нейронов SCN посредством кальция и цАМФ. Симпатические ядра стимулируют выработку глюкокортикоидов надпочечниками, что активирует Per1 в клетках организма, тем самым перезапуская циркадный цикл клеток. Фотореакция, вероятно, связана с влиянием света на циркадные ритмы. Кроме того, применение мелатонина как живым крысам, так и изолированным клеткам SCN, может снижать частоту генерации потенциалов действия этих нейронов. Изменения световой экспозиции, вызванные джетлагом, сезонными изменениями и постоянным освещением, изменяют ритм генерации потенциалов действия в нейронах SCN, демонстрируя взаимосвязь между светом и функционированием нейронов SCN. Люди, склонные оставаться в помещении и ограничивать воздействие света, испытывают снижение ночной выработки мелатонина. Снижение выработки мелатонина ночью коррелирует с усилением активности, индуцированной SCN, в ночное время, что приводит к нарушению сна. У пациентов с большим депрессивным расстройством (МДР) наблюдаются ослабленные ритмы экспрессии генов циркадных часов в мозге. В исследовании на мышах было показано, что нарушение ритмов SCN вызывает поведение, похожее на тревожное, увеличение веса, беспомощность и отчаяние. У мышей без экспрессии Bmal1 в SCN наблюдались аномальные уровни глюкокортикоидов. Изменения в SCN и секреции мелатонина являются основными факторами, вызывающими нарушения циркадного ритма. Эти нарушения приводят к изменению нормальной физиологии сна, такой как биологические часы и температура тела в состоянии покоя. У пациентов с болезнью Альцгеймера наблюдаются бессонница, гиперсомния и другие нарушения сна в результате дегенерации SCN и изменений концентрации важных нейротрансмиттеров.