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.
The suprachiasmatic nucleus or nuclei (SCN) is a small region of the brain in the hypothalamus, situated directly above the optic chiasm. It is the principal circadian pacemaker in mammals, responsible for generating circadian rhythms. Reception of light inputs from photosensitive retinal ganglion cells allow it to coordinate the subordinate cellular clocks of the body and entrain to the environment. The neuronal and hormonal activities it generates regulate many different body functions in an approximately 24 hour cycle. The idea that the SCN is the main circadian pacemaker in mammals was proposed by Robert Moore, who conducted experiments using radioactive amino acids to find where the termination of the retinohypothalamic projection occurs in rodents. Early lesioning experiments in mouse, guinea pig, cat, and opossum established how removal of the SCN results in ablation of circadian rhythm in mammals.
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.