Важность циркадных ритмов для выживания человека не подвергается сомнению. Эти биологические ритмы связаны с циклом дневного света и модулируют поведение хозяина, чтобы оптимизировать выживание, адаптируя действия к соответствующему времени дня. Такие изменения были обнаружены в цикле сна, кормлении, передаче нервных импульсов и характере секреции гормонов, причем все они меняются в зависимости от длины дня или светового периода.

В недавней статье изучались различия в нейронных коммуникациях в гипоталамической сети, которая регулирует физиологические функции в ответ на фотопериод. Исследователи обнаружили новый механизм адаптации к сезонным изменениям длины дня, который может помочь в разработке новых методов лечения сезонного аффективного расстройства (САР) и других состояний, связанных с сезонными изменениями фотопериода.

Введение

САР — это расстройство настроения, которое приводит к появлению депрессивных симптомов зимой у людей, живущих в северном полушарии. Интересно, что воздействие яркого света на рассвете смягчает симптомы в течение нескольких дней. Это также работает с большими депрессивными расстройствами, биполярным расстройством и, в меньшей степени, с нейродегенеративными состояниями, такими как болезнь Паркинсона или болезнь Альцгеймера.

Мозг млекопитающих улавливает свет через внутренне светочувствительные ганглиозные клетки сетчатки (ipRGC), которые проецируются на супрахиазматическое ядро ​​(SCN) гипоталамуса. Это кардиостимулятор или главные часы циркадной системы. Он настраивает тело на внешний цикл свет-темнота, координируя и другие части мозга с этим циклом.

Более ранние исследования установили, что сезонные изменения светового воздействия изменяют количество нейронов AVP в SCN, нейронов, содержащих нейротрансмиттеры, в области, называемой паравентрикулярным ядром (PVN), и параллельную связь между ними. PVN не связан напрямую с сетчаткой, но получает многочисленные проекции SCN.

СХЯ содержит около 20 000 нейронов. Вентральная часть SCN, на которую ipRGCs проецируются через терминали, экспрессирующие глутамат, называется ретино-гипоталамическим трактом (RHT). Нейроны реципиента экспрессируют вазоактивный интестинальный пептид (VIP). Другие в дорсальной части СХЯ экспрессируют аргинин-вазопрессин (АВП).

Независимо от этого, большинство нейронов СХЯ секретируют (NT) γ-аминомасляную кислоту (ГАМК), тормозной нейротрансмиттер. Это действует вместе с ГАМК, чтобы связать вместе различные части SCN. Эта функция тесно связана с нейромедином S (NMS), нейропептидом, обнаруженным только в СХЯ и секретируемым 40% нейронов СХЯ, включая почти все, которые секретируют VIP и AVP. NMS является ключом к циркадной регуляции процессов в организме.

Скоординированная деятельность СХЯ позволяет мозгу изменять свою регуляторную активность в зависимости от фотопериода, воздействуя на мозговые сети и отдельные нейроны. Это включает в себя нейронную пластичность через изменения фаз ежедневных электрических ритмов, а также измененную экспрессию часовых генов в этой области.

У животных изменение продолжительности дня вызывает пластичность нейротрансмиттеров, например, переключение между соматостатином и дофамином в PVN с соответствующими изменениями реакции на стресс.

У людей изменения фотопериода также связаны с изменениями количества дофаминергических нейронов. Вопрос, рассматриваемый в этом исследовании, заключался в том, будут ли сезонные изменения светового воздействия, влияющие на профили нейротрансмиттеров в СХЯ, также вызывать пластичность нейротрансмиттеров PVN, опосредуя центральную регуляцию физиологических процессов и поведенческих реакций.

Что показало исследование?

Текущее исследование, доступное онлайн в Science Advances , было проведено на мышах.

NOW Foods, экстракт корня валерианы, 59 мл (2 жидк. унция)

Результаты показывают, что при укороченном фотопериоде количество нейронов СХЯ, экспрессирующих ВИП, уменьшается, а количество нейронов НМС, которые проецируются на дофаминергические нейроны ПВЯ, увеличивается параллельно.

Исследователи заметили, что при коротком дневном воздействии NMS-отрицательные нейроны переключались на NMS-положительную экспрессию без добавления новых нейронов SCN.

Это также изменило соотношение коэкспрессии VIP и NMS, поддерживая возникновение нейротрансмиттерного переключения. Аналогичное явление наблюдалось с подмножеством не-VIP-нейронов, которые приобретали фенотип VIP при воздействии на них долгого дня. Кроме того, нейроны SCN-NMS формировали большее количество синапсов на дофаминергических нейронах PVN с короткой длиной дня.

При воздействии короткого дня изменения в сигналах нейронов NMS вызывали соответствующую активацию экспрессирующих дофамин нейронов PVN. И наоборот, они ингибировали нейроны PVN, экспрессирующие кортикотропин-рилизинг-гормон (CRH).

То есть дофаминергические нейроны PVN синхронизируются с короткодневным фотопериодом зимы за счет увеличения количества стимулов от расширенной популяции нейронов NMS в SCN. Нейроны PVN, по-видимому, достигают этого за счет изменений в передаче сигналов ионов кальция.

Во-вторых, они обнаружили, что нейроны NMS играют ключевую роль в индуцированной фотопериодичностью регуляции физиологии гипоталамуса. Согласно более ранним исследованиям, двигательная активность следует циркадному паттерну, регулируемому сетью SCN-PVN. Нейроны NMS в первом участвуют в регуляции этих ритмов через свои синаптические связи с другими нервными клетками.

Когда фотопериод постоянно короткий, хроническое ингибирование нейронов NMS приводит к соответствующему снижению экспрессирующих дофамин нейронов в PVN, перепрограммированию активности в этих нейронах PVN, что приводит к наблюдаемому изменению передачи сигналов кальция и нейротрансмиттерному переключению. Это связано с задержкой начала двигательной активности. Общая активность осталась прежней, как и общий циркадный период.

Когда мышей подвергали хронической хемогенной стимуляции нейронов NMS с 12-часовым световым воздействием (длительный фотопериод), они начинали двигаться на своих колесах позже в тот же день. То есть их суточный локомоторный ритм начинался с задержкой.

Локомоторная амплитуда также уменьшилась, наряду с появлением большего количества дофаминергических нейронов в PVN. Этого не наблюдалось при хронической стимуляции ВИП-нейронов в ночное время.

Таким образом, стимуляция нейронов NMS имитирует эффекты короткого фотопериода, а последние — воздействия длинного дня с уменьшенным количеством нейронов NMS.

Каковы последствия?

Результаты этой статьи показывают четкую реакцию сети SCN-PVN на фотопериодичность, когда она индуцирует пластичность нейронов в PVN, изменяя ее функции и изменяя время начала локомоторных ритмов через нейроны NMS в SCN. Переключение нейротрансмиттеров в СХЯ « происходит путем вовлечения резидентных нейронов в судьбу, которую они обычно не приняли бы ».

Некоторые из нейронов, недавно экспрессирующих NMS, происходят от переключения VIP-клеток, а остальные — от других клеток. Память СХЯ для фотопериода может быть частично опосредована этим переключателем нейротрансмиттера.

Это подтверждает и расширяет результаты более ранних исследований на животных. Ранее исследователи показали, что VIP опосредует синаптическую связь между нейронами в SCN, чтобы создать реорганизованный путь в ответ на длительное воздействие в течение дня. Было показано, что этот нейротрансмиттер важен для синхронизации сети в таком сценарии.

Текущее исследование показывает, что количество нейронов VIP и NMS изменяется в зависимости от фотопериода в ответ на изменения экспрессии генов. Хемогенетическая активация нейронов NMS показывает, что активации/ингибирования этого пути достаточно, чтобы изменить дофаминергическую активность в PVN при сохранении общего числа нейронов NMS интактными. Этот нейротрансмиттерный переключатель приводит к реорганизации цепи SCN-PVN, влияя на двигательную активность.

Молекулярные адаптации, обнаруженные в сети SCN-PVN, могут оказаться полезными для разработки новых целей и терапевтических подходов к лечению сезонной и несезонной депрессии и других когнитивных нарушений, вызванных измененными циклами свет-темнота ».