By Samuel Mckenzie, BScReviewed by Dr. Tomislav Meštrović, MD, Ph.D.

Wejścia do SCN

SCN otrzymuje dwa rodzaje wejść: fotyczne i niefotyczne. Wejście fototyczne pochodzi z samoistnie światłoczułych komórek zwojowych siatkówki (ipRGCs), które rzutują przez przewód siatkówkowo-wzgórzowy poprzez synapsy glutamatergiczne do neuronów w SCN. To pomaga w synchronizacji zegara okołodobowego.

Naświetlanie może zmienić rytm okołodobowy, co określa się jako „przesunięcie fazy”. Przesunięcia fazowe mogą zakłócić normalne reakcje na rytm okołodobowy; na przykład ekspozycja na światło w nocy wpłynie na wzorce snu poprzez przesunięcie fazowe.

Niefotyczne wejście do SCN pochodzi z innych regionów mózgu i pomaga modulować rytm okołodobowy. SCN zawiera różne receptory serotoniny (5-HT). Wejście 5-HT z śródmózgowia raphe pomaga modulować odpowiedź SCN na światło poprzez regulację przesunięć fazowych.

Jądro międzymózgowia (IGL) zawiera neurony wykazujące ekspresję neuropeptydu Y (NPY), jak również neurony wykazujące ekspresję kwasu gamma aminomasłowego (GABA). IGL rzutuje do SCN poprzez szlak genikulo-wzgórzowy i wywołuje przesunięcia fazowe w ciągu dnia. Stymulacja przyśrodkowego jądra raphe i grzbietowego jądra raphe zwiększa zawartość serotoniny w SCN i IGL, odpowiednio.

SCN Generowanie i kontrola rytmu okołodobowego

Rytm okołodobowy generowany przez SCN opiera się na opóźnionym ujemnym sprzężeniu zwrotnym w pętli sprzężenia zwrotnego transkrypcji rdzenia. Dimery CLOCK/BMAL1 działają w regionach promotorowych E-box w chromosomie, aby promować transkrypcję różnych regulatorów rytmu okołodobowego (genów zegara), takich jak różne geny PER i kryptochromu (CRY). Powoduje to zwiększenie ilości białek PER i CRY.

Po pewnym czasie dimery PER/CRY tworzą się i zaczynają hamować transkrypcję własnych genów. PER i CRY są również degradowane przez kompleksy ligaz ubikwitynowych. Zmiany te prowadzą do zmniejszenia PER i CRY, a w konsekwencji do obniżenia inhibicji ich transkrypcji, dzięki czemu ostatecznie rozpoczyna się nowy cykl.

PER jest jednocześnie zaangażowany w pętlę dodatniego sprzężenia zwrotnego, w której REV-ERBα działa w regionach promotorowych RORE, aby hamować transkrypcję BMAL. PER wiąże się z REV-ERBα, co pozwala na transkrypcję BMAL, a tym samym na transkrypcję większej ilości PER i CRY.

Region promotorowy E-box jest również odpowiedzialny za transkrypcję genów kontrolujących zegar (CCG), a omawiane pętle sprzężenia zwrotnego odpowiadają za 24-godzinny cykl ekspresji CCG. CCGs kontrolują różne aspekty homeostazy i cyklu komórkowego.

Wszystkie neurony w obrębie SCN oscylują z różnymi fazami, komórki łączą wyjścia, aby nadać rytm, który jest znany jako sieć multioscylatorów SCN. Komórki VIP kontrolują wywołane światłem resetowanie faz w SCN i dostarczają sygnał sprzęgający dla oscylatorów SCN. Pomaga to w stabilizacji i synchronizacji rytmów pomiędzy poszczególnymi neuronami SCN. Sygnalizacja GABA również pomaga synchronizować poszczególne neurony SCN.

Wpływ rytmu okołodobowego na organizm

Rytm okołodobowy jest przekazywany z SCN do innych części mózgu. Te sygnały działają na układ neuro-endokrynny lub przedautonomiczne neurony ruchowe podwzgórza, umożliwiając wystąpienie wielu reakcji fizjologicznych.

SN oddziałuje na szyszynkę, aby wpłynąć na wydzielanie melatoniny, co można osiągnąć poprzez działania VIP, które aktywują cyklazę adenylową. Powoduje to wzrost stężenia cAMP, który stymuluje N-acetylotransferazę, zwiększając tempo syntezy melatoniny.

Uwalnianie melatoniny jest największe w nocy i przyczynia się do cyklu snu i czuwania, zapobiegając przesunięciom fazowym, zmniejszając opóźnienie początku snu, zwiększając całkowity czas snu i hamując pobudzenie okołodobowe.

Kortyzol jest wydzielany przez nadnercza i wykazuje rytm okołodobowy. Poziom kortyzolu jest najniższy w nocy, a najwyższy w godzinach porannych. Uwalnianie kortyzolu jest regulowane przez oś podwzgórze-przysadka-nadnercza (HPA).

Oś HPA otrzymuje sygnał wejściowy NPY z SCN, co powoduje uwalnianie hormonów adrenokortykotropowych z komórek kortykotropowych w przedniej części przysadki mózgowej, dzięki czemu kortyzol jest uwalniany z nadnerczy. Kortyzol ma ujemne sprzężenie zwrotne pętli z przysadki mózgowej, w którym rosnące poziomy kortyzolu działać w celu hamowania jego sekrecji.

Rytm okołodobowy może również działać na wiele innych aspektów ludzkiej fizjologii – w tym metabolizm, temperatura ciała i różne elementy układu odpornościowego.

W kontroli procesów fizjologicznych

W podsumowaniu, SCN kontroluje wiele procesów fizjologicznych z rytmem jest generuje. Transkrypcja genów zegara w odpowiedzi na cykl dzień / noc są kluczowe dla wszystkich procesów, na które wpływa rytm okołodobowy. Integracja fotycznych i niefotycznych wejść do SCN prowadzić cykl dla rytmu.

Więcej badań w SCN i rytmów okołodobowych zapewni lepsze i bardziej szczegółowe zrozumienie, jak SCN generuje rytm okołodobowy i jak inne części mózgu wpływa na to. Więcej badań będzie również ujawnić dodatkowe informacje dotyczące tego, jak rytm okołodobowy efekty innych części mózgu w jego sygnalizacji downstream.

Dalsza lektura

• Wszystkie treści o rytmie okołodobowym
• Rytm okołodobowy
• Rytm okołodobowy i utrata wagi
• Narażenie na sztuczne światło i rytm okołodobowy
• Wersje długości rytmu okołodobowego – wczesne ptaki i nocne sowy

Cytaty