Как биологические часы сообщают мозгу, что пора просыпаться

Почти все живые организмы синхронизируют свою физиологию и поведение с 24-часовым циклом дня и ночи с помощью внутреннего биологического механизма — циркадных часов. У животных этот механизм relies на специализированные сети нейронов-пейсмейкеров, которые генерируют автономные транскрипционные ритмы обратной связи, координируя всё — от температуры тела и скорости метаболизма до выброса гормонов.

Однако в нейробиологии долгое время оставался нерешённым вопрос: как именно временной сигнал, generated внутри относительно небольшого скопления нейронов часов, физически передаётся в обширные исполнительные сети мозга, которые решают, бодрствует ли животное, находится ли оно в состоянии alert или спит?

Теперь исследовательская группа под руководством учёных из Женевского университета (UNIGE) решила эту недостающую link на модельном организме Drosophila melanogaster (обычная плодовая мушка).

Опубликованное в журнале Current Biology, исследование картирует функциональную цепь, через которую нейроны часов модулируют дофаминергическую передачу, чтобы управлять дневным бодрствованием в высших структурах мозга.

Прослеживание связей ниже главных часов

Чтобы изолировать特定 нейронные пути ниже циркадного пейсмейкера, лаборатория Эми Нагоши, доктора философии, доцента кафедры биологии факультета науки UNIGE, объединила клеточно-специфическую генетическую маркировку, коннектомное прослеживание и прижизненную кальциевую визуализацию.

Исследователи проследили аксональные траектории, extending от core нейронов часов, и обнаружили, что они образуют прямые функциональные связи со специализированной популяцией дофамин-продуцирующих нейронов.

Измеряя активность этих клеток в реальном времени в течение свето-темнового цикла, команда обнаружила, что их физиологическая частота разрядов систематически колеблется в зависимости от времени суток.

«Мы наблюдали, что нейроны часов inhibit эти дофаминергические нейроны, которые, в свою очередь, стимулируют нейроны в грибовидном теле. Эта область мозга играет роль в обучении, памяти и регуляции сна, и её активность способствует поддержанию бодрствования в течение дня», — объяснили соавторы Бланка Лаго Солис, доктор философии, постдокторант-исследователь, и Рафаэль Кох, доктор философии, научный сотрудник лаборатории Нагоши.

Дофамин как управляемый переключатель дневного бодрствования

Грибовидное тело — essential нейропильная структура в мозге беспозвоночных, известная организацией ассоциативного обучения и сенсорной обработки, но всё больше признаваемая мощным регулятором гомеостаза сна и возбуждения.

Женевская команда показала, что циркадные нейроны часов действуют как вышестоящий тормозной тормоз на эту пробуждающую систему:

Фаза подавления: Когда нейроны биологических часов разряжаются, чтобы затормозить дофаминергическую популяцию, выброс дофамина падает, ослабляя возбуждающий драйв к грибовидному телу и позволяя начаться отдыху и сну.

Фаза растормаживания: Наоборот, в подходящее время суток это вышестоящее торможение снимается. Освобождённые от тормоза дофаминергические нейроны увеличивают частоту разрядов, доставляя всплеск дофамина в грибовидное тело, который способствует robust бодрствованию и активному поисковому поведению.

Через эту многоуровневую цепь биологические часы превращают свои абстрактные молекулярные колебания в динамический поведенческий переключатель.

Более широкие последствия для циркадных и неврологических расстройств

Хотя исследование проводилось на плодовой мушке, его результаты имеют значительную трансляционную ценность. Основной биохимический механизм молекулярных циркадных часов был первоначально идентифицирован у Drosophila, а затем подтверждён у млекопитающих и человека. Более того, моноамины, такие как дофамин, играют идентичные пробуждающие роли в восходящей ретикулярной активирующей системе и базальных ганглиях человека.

Нарушения циркадных ритмов, будь то из-за сменной работы, современного использования экранов или нейродегенеративных состояний, таких как болезнь Паркинсона и Альцгеймера, часто связаны с хронической бессонницей, дневной сонливостью и нарушениями настроения.

Рассекая точные синаптические контрольные точки, соединяющие внутренние биологические часы с дофаминергическими цепями бодрствования, исследователи предоставляют основополагающую модель для изучения того, как дисфункция часов напрямую ухудшает архитектуру сна и здоровье мозга.