Jądro nadskrzyżowaniowe - Suprachiasmatic nucleus

Jądro nadskrzyżowaniowe
Jądra podwzgórza.PNG
Jądro nadskrzyżowaniowe to SC , pośrodku po lewej, oznaczone na niebiesko. Skrzyżowanie wzrokowe jest OC , tuż poniżej, oznaczone na czarno.
Jądro nadskrzyżowaniowe.jpg
Jądro nadskrzyżowaniowe jest oznaczone i pokazane na zielono.
Detale
Identyfikatory
łacina jądro nadskrzyżowaniowe
Siatka D013493
NeuroNazwy 384
Identyfikator NeuroLex birnlex_1325
TA98 A14.1.08.911
TA2 5720
FMA 67883
Anatomiczne terminy neuroanatomii

Nadskrzyżowaniowe rdzeń lub jądro ( SCN ) jest mały obszar mózgu w podwzgórzu , znajduje się bezpośrednio nad nerwu skrzyżowania . Odpowiada za kontrolowanie rytmów dobowych . Aktywność neuronalna i hormonalna, którą generuje, reguluje wiele różnych funkcji organizmu w cyklu 24-godzinnym. Mysi SCN zawiera około 20 000 neuronów .

SCN oddziałuje z wieloma innymi obszarami mózgu. Zawiera kilka typów komórek i kilka różnych peptydów (w tym wazopresynę i wazoaktywny peptyd jelitowy ) oraz neuroprzekaźniki .

Neuroanatomia

SCN usytuowany jest w przedniej części podwzgórza natychmiast grzbietową lub lepsze (stąd powyżej ) do optycznego skrzyżowania (CHO) dwustronną do (po obu stronach) w trzeciej komorze .

Jądro można podzielić na części brzuszno-boczne i grzbietowo-boczne, znane również odpowiednio jako rdzeń i powłoka. Regiony te różnią się ekspresją genów zegara, rdzeń wyraża je w odpowiedzi na bodźce, podczas gdy powłoka wyraża je konstytutywnie.

Pod względem występów rdzeń otrzymuje unerwienia poprzez trzy główne szlaki, w retinohypothalamic oddechowych , geniculohypothalamic oddechowych i występów z kilku jądrach szwu . Grzbietowo-przyśrodkowa SCN jest unerwiona głównie przez rdzeń, a także przez inne obszary podwzgórza. Wreszcie, jego wyjście skierowane jest głównie do strefy podkomorowej i grzbietowo - przyśrodkowej jądra podwzgórza, które pośredniczą we wpływie wywieranym przez SCN na okołodobową regulację organizmu.

Efekty dobowe

Różne organizmy, takie jak bakterie, rośliny, grzyby i zwierzęta, wykazują rytm prawie 24-godzinny na podłożu genetycznym. Chociaż wydaje się, że wszystkie te zegary opierają się na podobnym typie genetycznej pętli sprzężenia zwrotnego, uważa się, że określone geny, które są w to zaangażowane, wyewoluowały niezależnie w każdym królestwie. Wiele aspektów zachowania i fizjologii ssaków wykazuje rytmikę dobową, w tym sen, aktywność fizyczną, czujność, poziom hormonów, temperaturę ciała, funkcję odpornościową i aktywność trawienną. SCN koordynuje te rytmy w całym ciele, a rytmiczność zostaje utracona, jeśli SCN zostanie zniszczony. Na przykład u szczurów z uszkodzeniem SCN utrzymywany jest całkowity czas snu, ale długość i czas trwania epizodów snu stają się nieregularne. SCN utrzymuje kontrolę w całym ciele poprzez synchronizację „oscylatorów podrzędnych”, które wykazują swoje własne rytmy prawie 24-godzinne i kontrolują zjawiska okołodobowe w tkance lokalnej.

SCN otrzymuje informacje od wyspecjalizowanych światłoczułych komórek zwojowych w siatkówce za pośrednictwem drogi siatkówkowo- podwzgórzowej . Neurony w brzuszno - bocznej SCN (vlSCN) mają zdolność do indukowanej światłem ekspresji genów. Komórki zwojowe zawierające melanopsynę w siatkówce mają bezpośrednie połączenie z brzuszno-boczną SCN za pośrednictwem układu siatkówkowo-podwzgórzowego. Kiedy siatkówka odbiera jasna, vlSCN przekazuje tę informację w całym SCN pozwalającą porywania , synchronizacja, danej osoby lub zwierzęcia rytmów dobowych w cyklu 24-godzinnym w przyrodzie. Znaczenie angażowania organizmów, w tym ludzi, do sygnałów egzogennych, takich jak cykl światła/ciemności, odzwierciedla kilka zaburzeń snu związanych z rytmem dobowym , w których proces ten nie przebiega normalnie.

Uważa się, że neurony w grzbietowo - przyśrodkowej SCN (dmSCN) mają endogenny rytm 24-godzinny, który może utrzymywać się w ciągłej ciemności (u ludzi średnio około 24 godziny 11 minut). Mechanizm GABAergiczny jest zaangażowany w sprzężenie brzusznych i grzbietowych obszarów SCN.

SCN wysyła informacje do innych jąder podwzgórza i szyszynki, aby modulować temperaturę ciała i produkcję hormonów, takich jak kortyzol i melatonina .

Rytmy okołodobowe kręgowców endotermicznych (ciepłokrwistych) i ektotermicznych (zimnokrwistych)

Termograficzny obraz węża ektotermicznego owijającego się wokół dłoni endotermicznego człowieka

Informacje na temat bezpośredniej regulacji neuronalnej procesów metabolicznych i zachowań kontrolowanych rytmem okołodobowym nie są dobrze znane wśród kręgowców endotermicznych i ektotermicznych , chociaż przeprowadzono szeroko zakrojone badania nad SCN na modelowych zwierzętach, takich jak w szczególności mysz ssaków i gady ektotermiczne. jaszczurki. Wiadomo, że SCN bierze udział nie tylko w fotorecepcji poprzez unerwienie z układu siatkówkowo-podwzgórzowego, ale także w termoregulacji kręgowców zdolnych do homeotermii , jak również w regulowaniu lokomocji i innych behawioralnych sygnałów wyjściowych zegara dobowego u kręgowców ektotermicznych. Różnice behawioralne między obiema klasami kręgowców, w porównaniu z odpowiednimi strukturami i właściwościami SCN i różnych innych jąder w pobliżu podwzgórza , dostarczają wglądu w to, jak te zachowania są konsekwencją różnych regulacji okołodobowych. Ostatecznie konieczne jest przeprowadzenie wielu badań neuroetologicznych, aby całkowicie ustalić bezpośrednią i pośrednią rolę SCN w regulowanych okołodobowo zachowaniach kręgowców.

SCN endoterm i ektoterm

Ogólnie rzecz biorąc, temperatura zewnętrzna nie wpływa na zachowanie zwierząt endotermicznych ani na rytm dobowy ze względu na zdolność tych zwierząt do utrzymywania stałej temperatury wewnętrznej ciała poprzez termoregulację homeostatyczną; jednak oscylatory peryferyjne (patrz rytm okołodobowy ) u ssaków są wrażliwe na impulsy temperatury i doświadczą resetowania fazy zegara okołodobowego i związanej z nim ekspresji genetycznej, co sugeruje, że oscylatory peryferyjne mogą być oddzielnymi jednostkami, pomimo posiadania głównego oscylatora w SCN . Ponadto, gdy pojedyncze neurony SCN myszy były traktowane impulsami ciepła, zaobserwowano podobne resetowanie oscylatorów, ale gdy nienaruszony SCN był traktowany taką samą obróbką impulsem ciepła, SCN był odporny na zmianę temperatury, wykazując niezmieniony rytm dobowy. faza oscylacyjna. Wykazano, że u zwierząt ektotermicznych, zwłaszcza jaszczurki ruinowej Podacris sicula , temperatura wpływa na oscylatory okołodobowe w obrębie SCN. Odzwierciedla to potencjalny związek ewolucyjny między kręgowcami endotermicznymi i ektotermicznymi, polegający na tym, że organizmy zmiennocieplne polegają na temperaturze otoczenia, aby wpływać na ich rytm dobowy i zachowanie, a organizmy endotermiczne mają wyewoluowany SCN, który zasadniczo ignoruje temperaturę zewnętrzną i wykorzystuje fotorecepcję jako sposób na wprowadzenie oscylatorów dobowych w ich SCN. Ponadto różnice w SCN między kręgowcami endotermicznymi i ektotermicznymi sugerują, że organizacja neuronalna odpornej na temperaturę SCN w endotermach jest odpowiedzialna za kierowanie zachowaniami termoregulacyjnymi u tych zwierząt inaczej niż u kręgowców ektotermicznych, ponieważ do angażowania się w pewne zachowania.

Zachowania kontrolowane przez SCN kręgowców

Przeprowadzono znaczące badania nad genami odpowiedzialnymi za kontrolowanie rytmu dobowego, w szczególności w obrębie SCN. Znajomość ekspresji genów Clock ( Clk ) i Period2 ( Per2 ), dwóch z wielu genów odpowiedzialnych za regulację rytmu dobowego w poszczególnych komórkach SCN, pozwoliła na lepsze zrozumienie, w jaki sposób ekspresja genetyczna wpływa na regulację rytmu dobowego -kontrolowane zachowania. Badania dotyczące termoregulacji z jaszczurek ruin i myszy poinformowały niektóre połączenia między neuronowych i genetycznych składników zarówno kręgowców gdy doświadcza indukowanej hipotermii warunki. Niektóre odkrycia odzwierciedlają sposób, w jaki ewolucja SCN, zarówno pod względem strukturalnym, jak i genetycznym, doprowadziła do zaangażowania charakterystycznych i stereotypowych zachowań termoregulacyjnych u obu klas kręgowców.

  • Myszy : Wśród kręgowców wiadomo, że ssaki są endotermami zdolnymi do homeostatycznej termoregulacji. Wykazano, że myszy mają pewną termowrażliwość w obrębie SCN, chociaż regulacja temperatury ciała przez myszy doświadczające hipotermii jest bardziej wrażliwa na to, czy znajdują się w jasnym czy ciemnym otoczeniu; wykazano, że myszy w zaciemnionych warunkach i doświadczające hipotermii utrzymują stabilną wewnętrzną temperaturę ciała, nawet podczas postu. W warunkach oświetlenia myszy wykazały spadek temperatury ciała w tych samych warunkach na czczo i hipotermii. Analizując ekspresję genetyczną genów Clock w szczepach typu dzikiego i nokautowego, a także analizując aktywność neuronów w obrębie SCN i połączenia z jądrami bliższymi podwzgórza w wyżej wymienionych warunkach, wykazano, że SCN jest centrum kontrola dobowego rytmu temperatury ciała. Ta kontrola okołodobowa obejmuje zatem zarówno bezpośredni, jak i pośredni wpływ wielu zachowań termoregulacyjnych, w które ssaki angażują się w celu utrzymania homeostazy.
  • Jaszczurki nizinne : Przeprowadzono kilka badań nad genami wyrażanymi w oscylujących okołodobowo komórkach SCN w różnych warunkach światła i ciemności, a także nad skutkami wywoływania łagodnej hipotermii u gadów. Pod względem budowy, SCN jaszczurek są bardziej podobne do tych u myszy, posiadając część grzbietowo-przyśrodkową i rdzeń brzuszno-boczny. Jednak ekspresja genetyczna związanego z rytmem dobowym genu Per2 u jaszczurek jest podobna do tej u gadów i ptaków, pomimo faktu, że ptaki mają odrębną strukturę SCN składającą się z części bocznej i przyśrodkowej. Badanie SCN jaszczurki ze względu na jej mały rozmiar ciała i ektotermię jest nieocenione dla zrozumienia, w jaki sposób ta klasa kręgowców modyfikuje swoje zachowanie w ramach dynamiki rytmu dobowego, ale nie ustalono jeszcze, czy systemy kręgowców zimnokrwistych uległy spowolnieniu w miarę w wyniku obniżonej aktywności w SCN lub wykazywały spadki aktywności metabolicznej w wyniku hipotermii.

Inne sygnały z siatkówki

Odmiana eskinogramu pokazująca wpływ światła i ciemności na rytmy dobowe oraz związaną z nim fizjologię i zachowanie poprzez SCN u ludzi

SCN jest jednym z wielu jąder, które odbierają sygnały nerwowe bezpośrednio z siatkówki.

Niektóre inne to jądro kolankowate boczne (LGN), górny wzgórek , podstawny układ wzrokowy i pretectum :

  • LGN przekazuje informacje o kolorach, kontraście, kształt i przemieszczania się do korze wzrokowej i sam sygnał do SCN.
  • Przełożony wzgórka kontroluje ruch i orientację w oku.
  • Podstawowy układ optyczny kontroluje również ruchy gałek ocznych.
  • Pretectum kontroluje wielkość źrenicy .

Ekspresja genu

Rytm okołodobowy w SCN jest generowany przez cykl ekspresji genów w poszczególnych neuronach SCN. Cykl ten został dobrze zachowany przez ewolucję i zasadniczo jest podobny w komórkach wielu bardzo różnych organizmów, które wykazują rytmy dobowe. Na przykład, chociaż muszki owocowe (jak wszystkie bezkręgowce) nie mają SCN, cykl jest w dużej mierze podobny do tego u ssaków. Obecnie uważa się, że wszystkie zwierzęta mają wspólny korzeń w swoim rytmie dobowym.

Muszka owocowa

U muszki owocowej Drosophila rytm okołodobowy komórek w neuronach jest kontrolowany przez dwie sprzężone pętle sprzężenia zwrotnego.

  • W pierwszej pętli bHLH czynniki transkrypcyjne zegara ( CLK ) oraz stopnia ( CYC ) kierowania transkrypcją własnej represorów okresie ( PER ) i Timeless ( TIM ). Białka PER i TIM gromadzą się następnie w cytoplazmie, translokują do jądra w nocy i wyłączają własną transkrypcję, uruchamiając w ten sposób 24-godzinną oscylację transkrypcji i translacji.
  • W drugiej pętli czynniki transkrypcyjne vrille ( VRI ) i Pdp1 są inicjowane przez CLK/CYC. PDP1 działa pozytywnie na transkrypcję CLK i negatywnie na VRI.

Geny te kodują różne czynniki transkrypcyjne, które wyzwalają ekspresję innych białek. Produkty zegara i cyklu , zwane CLK i CYC, należą do podrodziny PAS z rodziny czynników transkrypcyjnych basic helis-loop-helix (bHLH) i tworzą heterodimer . Ten heterodimer (CLK-CYC) inicjuje transkrypcję PER i TIM , których produkty białkowe ulegają dimeryzacji, a następnie hamują swoją własną ekspresję poprzez przerwanie transkrypcji, w której pośredniczy CLK-CYC. Ten mechanizm ujemnego sprzężenia zwrotnego nadaje 24-godzinny rytm ekspresji genów zegara . Podejrzewa się, że wiele genów jest powiązanych z kontrolą okołodobową przez „elementy E-box” w ich promotorach, ponieważ CLK-CYC i jego homologi wiążą się z tymi elementami.

Rytm dobowy można zresetować za pomocą światła za pomocą kryptochromu białkowego (CRY), który jest zaangażowany w fotorecepcję okołodobową u Drosophila . CRY łączy się z TIM w sposób zależny od światła, co prowadzi do zniszczenia TIM. Bez obecności TIM do stabilizacji, PER jest ostatecznie niszczony w ciągu dnia. W rezultacie represja CLK-CYC zostaje zmniejszona i cały cykl rozpoczyna się ponownie.

Ssaki

Geny i białka oscylatora zaangażowane w oscylator dobowy ssaków

U ssaków geny zegara dobowego zachowują się podobnie do much.

CLOCK (circadian Locomotor Output Cycles kaput) został po raz pierwszy sklonowany u myszy, a BMAL1 (mózgowy i mięśniowy receptor jądrowy receptora węglowodorów arylowych ( ARNT)-like 1 ) jest głównym homologiem Drosophila CYC.

Zidentyfikowano trzy homologi PER ( PER1 , PER2 i PER3 ) i dwa homologi CRY ( CRY1 i CRY2 ).

TIM został zidentyfikowany u ssaków; jednak jego funkcja nadal nie jest określona. Mutacje w TIM skutkują niezdolnością do reagowania na zeitgebery , co jest niezbędne do zresetowania zegara biologicznego.

Ostatnie badania sugerują, że poza SCN, geny zegarowe mogą również odgrywać inne ważne role, w tym ich wpływ na skutki nadużywania narkotyków, takich jak kokaina .

Elektrofizjologia

Neurony w potencjałach czynnościowych ognia SCN w rytmie 24-godzinnym. W południe szybkostrzelność osiąga maksimum, a w nocy znowu spada. Sposób, w jaki cykl ekspresji genów (tzw. zegar rdzenia) łączy się z odpalaniem neuronowym, pozostaje nieznany.

Wiele neuronów SCN jest wrażliwych na stymulację świetlną przez siatkówkę i stale wyzwala potencjały czynnościowe podczas impulsu świetlnego (~30 sekund) u gryzoni. Reakcja świetlna jest prawdopodobnie związana z wpływem światła na rytmy okołodobowe. Ponadto, ogniskowe stosowanie melatoniny może zmniejszać aktywność wyzwalającą tych neuronów, co sugeruje, że receptory melatoniny obecne w SCN pośredniczą w efektach przesunięcia fazowego poprzez SCN.

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki