Новый свет на суточный цикл
Исследователи из Медицинской школы Вашингтонского университета в Сент-Луисе обнаружили, как ритмы повседневной жизни кодируются в мозге. Они выяснили, что разные группы нейронов, отвечающих за отсчёт времени, становятся активными в разное время суток, несмотря на работу одного и того же молекулярного часового механизма.
Результаты опубликованы в журнале Science.
Биологический контроль над этими суточными циклами известен как циркадные (суточные) часы. У животных главные часы в мозге координируют большинство телесных ритмов, включая цикл сна и бодрствования. Биохимическая основа часов консервативна в эволюции и включает небольшое число "часовых белков", уровень которых контролируемо повышается и понижается один раз в день.
Учёные давно задавались вопросом, как некоторые контролируемые циркадными часами поведенческие и физиологические изменения, происходящие два или более раз в день, соответствуют единственному суточному пику часовых белков. Например, плодовая мушка Drosophila поведенчески активна дважды в день — утром и вечером.
Исследователи задались вопросом, производит ли нейронная схема отсчёта времени один ежедневный сигнал или генерирует несколько сигналов в течение дня.
Чтобы ответить на этот вопрос, аспирантка Ситонг Лян проводила сканирование всего мозга живых плодовых мушек каждые 10 минут в течение 24 часов. Мушки удобны для исследований, так как их часы представлены всего ~150 нейронами-водителями ритма (пейсмейкерами).
Эксперименты измеряли уровень кальция внутри клеток-пейсмейкеров для оценки их активности — более высокий уровень кальция указывает на более высокий уровень нейронной активации. Неожиданно каждая группа пейсмейкеров демонстрировала отличную от других фазу активности. Эти паттерны активности зависели от сигналов окружающей среды (например, длины светового дня) и от циркадных часов.
Учёные обнаружили, что одна конкретная группа нейронов-пейсмейкеров была активна примерно за четыре часа до утреннего пика активности мухи, а другая — за четыре часа до вечерней активности.
Изучая гены мутантных мух, команда идентифицировала химический сигнал под названием фактор дисперсии пигмента (pigment-dispersing factor, PDF). Этот нейропептид секретируется "утренними" пейсмейкерами и помогает разнообразить время активности пейсмейкеров, контролирующих поведение в другое время суток.
"PDF секретируется клетками, наиболее активными на рассвете", — сказала Лян. — "У мух с мутацией в рецепторе PDF мы обнаружили, что две другие группы нейронов, обычно активные в другое время суток, вместо этого становятся активными на рассвете". Активность нейронов-пейсмейкеров становится более синхронной у мутантных мух, и регулярный утренне-вечерний паттерн активности сбивается.
Ранее учёные полагали, что клеточная активность тесно связана с пиковыми уровнями часовых молекул. "Идея была: как идут часы, так идёт и активность", — сказал Пол Тагерт. — "Но здесь мы предполагаем, что в некоторых клетках может быть разрыв, и причина этого разрыва — в распределении временных сигналов".
Поскольку многие принципы циркадного отсчёта времени консервативны у разных видов, этот нейронный механизм, обнаруженный у Drosophila, может указывать на общий принцип работы часов.