Супрахиазматическое ядро

Супрахиазматическое ядро (супрахиазмальное ядро, СХЯ, SCN; лат. nucleus suprachiasmaticus; название согласно международной анатомической терминологии — надперекрёстное ядро^[1]) — ядро передней области гипоталамуса^[2]. Супрахиазматическое ядро — главный генератор циркадных ритмов у млекопитающих, управляет выделением мелатонина в эпифизе и синхронизирует работу «биологических часов» организма. Активность нейронов СХЯ изменяется периодически в течение суток и подстраивается под внешние световые сигналы.

Супрахиазматическое ядро
лат. Nucleus suprachiasmaticus
Гипоталамические ядра. Супрахиазматическое ядро (помечено как SC) находится непосредственно над перекрёстом зрительных нервов (OC).
Супрахиазматическое ядро помечено зеленым цветом.
Каталоги
MeSH MeSH FMA TA98
Медиафайлы на Викискладе

Внутренний цикл индивидуальных нейронов СХЯ не совпадает с 24-часовым циклом и может составлять у нейронов крыс от 20 до 28 часов, однако коллективно нейроны работают с периодом от 24 до 24,8 часов^[3]. Циркадные ритмы синхронизируются с 24-часовым световым циклом дня и ночи, световые сигналы подстраивают внутренних водителей ритма через ретиногипоталамический путь — моносинаптический путь от сетчатки к СХЯ. На синхронизацию могут влиять и другие сигналы, такие как температурные или пищевые.

С возрастом функции СХЯ как главного водителя ритма организма ухудшаются, как для индивидуальных нейронов, так и на уровне всей системы нейронов^[4]. Это нарушает циркадные ритмы при старении, вызывает нарушения сна. Разрушение СХЯ приводит к необратимой утрате циркадных ритмов.

История

Интенсивное изучение супрахиазматического ядра как вероятного кандидата в регуляторы циркадных ритмов началось в 1972 году, когда две группы исследователей^[5][6] независимо друг от друга показали, что его разрушение ведёт к необратимой утрате циркадных ритмов у крыс. В другой работе в том же 1972 году было установлено, что сетчатка напрямую связана с этим ядром через ретиногипоталамический путь, который обеспечивает передачу световых сигналов в гипоталамус^[7]. В 1979 году было доказано, что супрахиазматическое ядро продолжает генерировать периодический сигнал даже будучи изолированным, при перерезании всех нейронных путей, обеспечивающих передачу внешних сигналов, как у свободных животных^[8], так и in vitro^[9].

Эксперименты, проведённые в 1980 годы, показали, что супрахиазматическое ядро способно к автономной периодической активности и управляет синхронизацией прочих систем организма. Циркадный ритм гетерозиготных тау-мутантных хомяков составляет 22 часа, а гомозиготных — 20 часов^[10]. Пересадка СХЯ от тау-мутантных хомяков к здоровым хомякам (дикий тип) приводила к тому, что циркадный ритм последних составлял 20 часов, и напротив, после пересадки СХЯ здоровых хомяков тау-мутантные хомяки начинали жить в стандартном 24-часовом ритме^[11]. В 1995 удалось зарегистрировать in vitro индивидуальные циркадные ритмы изолированных нейронов СХЯ^[12][13]. Эти эксперименты доказали, что биологические часы имеют генетическую основу, и в последующие годы были обнаружены гены и белки, определяющие ход биологических часов.

Строение

Парное супрахиазматическое ядро расположено в основании переднего отдела гипоталамуса, дорсально по отношению к перекрёсту зрительных нервов по обеим сторонам третьего желудочка. Оно включает у мышей примерно 20000 нейронов (по 10000 в правом и левом ядрах)^[14] (у крыс, по другим данным, 16000^[15]) и примерно 100000 нейронов у человека^[16]. Объём супрахиазматического ядра человека составляет примерно 1 мм³. Морфологически его принято разделять на оболочку (дорсомедиальная часть) и ядро (вентролатеральная часть). В ядро приходят афферентные волокна, передающие световые сигналы. Оно содержит нейроны, выделяющие такие вещества, как вазоактивный интестинальный пептид, гастрин-высвобождающий пептид, нейротензин, нейропептид Y, вещество P и кальбиндин. Оболочка окружает ядро и включает нейроны, в основном выделяющие вазопрессин.

У разных видов, даже таких близких между собой, как мыши и крысы, строение и специализация нейронов супрахиазматического ядра могут иметь существенные особенности^[17][18], и сама концепция разделения на ядро и оболочку может не в полной мере отражать его внутреннюю организацию. Различаются также морфология и функции ядер у мужских и женских особей^[19].

Циркадные эффекты

Различные организмы, такие как бактерии^[20], растения, грибы и животные, демонстрируют генетически обусловленные почти 24-часовые ритмы. Хотя все эти часы, по-видимому, основаны на сходном типе генетической петли обратной связи, считается, что конкретные задействованные гены эволюционировали независимо в каждом царстве. Многие аспекты поведения и физиологии млекопитающих демонстрируют циркадную ритмичность, включая сон, физическую активность, бдительность, уровень гормонов, температуру тела, иммунную функцию и пищеварительную деятельность. СХЯ координирует эти ритмы по всему телу, и ритмичность теряется, если СХЯ разрушается. Например, общее время сна сохраняется у крыс с повреждением СХЯ, но продолжительность и время эпизодов сна становятся неустойчивыми. СХЯ поддерживает контроль по всему телу, синхронизируя «подчиненные осцилляторы», которые демонстрируют свои собственные почти 24-часовые ритмы и контролируют циркадные явления в местных тканях^[21].

СХЯ получает информацию от специализированных светочувствительных ганглиозных клеток сетчатки через ретиногипоталамический тракт. Нейроны в вентролатеральной SCN (vlSCN) обладают способностью к индуцируемой светом экспрессии генов. Содержащие меланопсин ганглиозные клетки сетчатки имеют прямую связь с вентролатеральным SCN через ретиногипоталамический тракт. Когда сетчатка получает свет, vlSCN передает эту информацию по всему СХЯ, позволяя захватывать, синхронизировать суточные ритмы человека или животного с 24-часовым циклом в природе. Важность вовлечения организмов, включая людей, в экзогенные сигналы, такие как цикл света/темноты, отражается в нескольких нарушениях циркадного ритма сна, когда этот процесс не функционирует нормально^[22].

Считается, что нейроны в дорсомедиальной SCN (dmSCN) имеют эндогенный 24-часовой ритм, который может сохраняться в условиях постоянной темноты (у людей в среднем около 24 часов 11 минут)^[23]. ГАМК-ергический механизм участвует в соединении вентральной и дорсальной областей SCN^[24].

СХЯ посылает информацию в другие ядра гипоталамуса и шишковидную железу для модуляции температуры тела и выработки таких гормонов, как кортизол и мелатонин.

Другие сигналы от сетчатки

Вариация эскинограммы, показывающая влияние света и темноты на циркадные ритмы и связанную с ними физиологию и поведение через SCN у людей.

SCN является одним из многих ядер, которые получают нервные сигналы непосредственно от сетчатки.

Некоторые из других — латеральное коленчатое ядро (LGN), верхнее двухолмие, базальная зрительная система и претектум:

• LGN передает информацию о цвете, контрасте, форме и движении в зрительную кору и сама подает сигналы в SCN.
• Верхнее двухолмие контролирует движение и ориентацию глаза.
• Базальная оптическая система также контролирует движения глаз.
• Претектум контролирует размер зрачка.

См. также

• Хронобиология
• Светочувствительная ганглиозная клетка^[англ.]
• Восприятие времени
• Ретиногипоталамический тракт
• Нарушение сна при сменной работе^[англ.]
• Нарушение 24-часового режима сна и бодрствования^[англ.]

Литература

• Klein D. C., Moore R. Y., Reppert S. M. Suprachiasmatic Nucleus: The Mind's Clock. — Oxford University Press, 1991. — 467 p.

Обзоры

• van Esseveldt L. K. E. The suprachiasmatic nucleus and the circadian time-keeping system revisited (англ.) // Brain Research Reviews. — 2000. — P. 34–77. — doi:10.1016/S0165-0173(00)00025-4. — PMID 10967353.
• Morin L. P., Allen C. N. The circadian visual system (англ.) // Brain research reviews. — 2005. — No. 51. — P. 1–60. — doi:10.1016/j.brainresrev.2005.08.003. — PMID 16337005.
• Welsh D. K., Takahashi J. S., Kay S. A. Suprachiasmatic Nucleus: Cell Autonomy and Network Properties (англ.) // Annual Review of Physiology. — 2010. — Vol. 72. — P. 551–577. — doi:10.1146/annurev-physiol-021909-135919. — PMID 20148688.
• Bailey M., Silver R. Sex differences in circadian timing systems: implications for disease (англ.) // Frontiers in neuroendocrinology. — 2014. — Vol. 35. — P. 111–139. — doi:10.1016/j.yfrne.2013.11.003. — PMID 24287074.