Ученые Гарвардской медицинской школы обнаружили участок мозга, который влияет на способность адаптироваться к изменениям продолжительности дня, например, к тем, которые происходят от сезона к сезону или при переезде через часовые пояса.

Исследование, основанное на опытах на мышах и опубликованное 17 июля в журнале Nature , проливает свет на еще один аспект работы циркадных ритмов: способы, с помощью которых мозг регулирует поведение и функции организма в 24-часовом цикле, основываясь на внешних сигналах, таких как наличие и отсутствие дневного света.

Работа также раскрывает новый способ поведения клеток мозга.

Если дальнейшие исследования на людях подтвердят полученные результаты, они помогут исследователям понять основу несвоевременных циклов сна-бодрствования и активности, которые могут способствовать развитию определенных заболеваний, включая неврологические, сердечные и метаболические расстройства.

Дальнейшие результаты также могут помочь в разработке методов лечения для людей, которые испытывают трудности с резкими изменениями продолжительности или времени суток, например, для работающих посменно и путешествующих, или для людей с заболеваниями , которые усугубляются изменениями продолжительности или времени суток, включая шизофрению, сезонные аффективные, тяжелые депрессивные и биполярные расстройства.

«Мы знаем, что солнечный свет влияет на физиологию и поведение организма, и что у нас возникают проблемы со здоровьем, если наше тело не может должным образом предвидеть цикл дня и ночи, но мы склонны думать об этом в ежедневном масштабе, а не в сезонном», — говорит Сьюзан Даймеки, профессор генетики в области сравнительной патологии им. Джорджа Фабиана в Институте Блаватника при HMS, лаборатория которого проводила эту работу.

«Найти нейронную цепь, которая вносит значительный вклад в способность адаптироваться к изменениям в цикле день-ночь, — это захватывающе», — сказала она. «Было бы замечательно, если бы это помогло нам лучше понять, как работает наш мозг, и как мы могли бы помочь людям синхронизироваться с этими изменениями».

Кроме того, по словам исследователей, результаты дают представление о том, как воздействие различных видов искусственного света в ночное время, включая цифровые экраны, может нарушить восприятие мозгом продолжительности дня и повлиять на здоровье человека.

Часть циркадного цикла
Группа ученых под руководством Джакомо Маддалони, научного сотрудника по генетике в лаборатории Даймецки, выявила мозговую цепь с несколькими группами нейронов, которые совместно распознают, декодируют и запускают поведенческую адаптацию к изменениям количества дневного света.

Центральным элементом этой схемы является набор нейронов, названных mrEn1-Pet1. Маддалони и его коллеги обнаружили, что эти нейроны получают сигналы из области мозга, называемой преоптической зоной, которая напрямую получает информацию о том, светло это или темно, от нервных клеток в сетчатке в задней части глаза.

Команда определила, что нейроны mrEn1-Pet1 затем посылают сигналы в три области мозга, участвующие в циркадных ритмах и циклах сна и бодрствования, включая главные циркадные часы организма, называемые суперхиазматическим ядром, или СХЯ.

Это открытие поместило нейроны mrEn1-Pet1 в мозговой контур, который начинается с обнаружения света и продолжается регуляцией циркадных ритмов. Но как нейроны общались, задавались вопросом исследователи.

Картирование входов в нейроны mrEn1-Pet1 по всему мозгу. Кредит: Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07692-7
История двух химикатов
Ученые уже знали, что нейроны mrEn1-Pet1 выделяют серотонин, химическое вещество, участвующее во множестве функций от частоты дыхания до настроения и аппетита. Однако Маддалони и коллеги обнаружили, что клетки mrEn1-Pet1, вероятно, также могут выделять химический глутамат, который активирует нейроны, которые его получают.

Среди ученых распространено мнение, что нейроны, способные высвобождать одно или несколько химических веществ, делают это во всех областях мозга, с которыми они «общаются». К своему удивлению, команда Димеки обнаружила, что нейроны mrEn1-Pet1 высвобождают серотонин и глутамат независимо — иногда вместе, иногда по отдельности, иногда в разных количествах — в трех областях мозга, с которыми они связаны.

«Это действительно здорово — механизм, который используют эти клетки», — сказал Маддалони.

Эксперименты команды показали, что нейроны mrEn1-Pet1 воспринимают сигнал окружающей среды о продолжительности света или темноты и соответственно изменяют распределение серотонина и глутамата. Это, по-видимому, предоставляет информацию главным циркадным часам, которые объединяют ее с другими входами, чтобы решить, следует ли корректировать биологическую реакцию животного и, в конечном счете, его поведение.

Блокировка различных частей цепи нарушила способность мышей приспосабливаться к изменениям продолжительности дня. Когда команда делала длину «дня» длиннее или короче в лаборатории, имитируя лето или зиму, мышам с нарушениями в системе mrEn1-Pet1 требовалось гораздо больше времени, чтобы синхронизировать время сна и бодрствования с новой продолжительностью дня, чем нормальным мышам, и они отставали в переключении своей активности бега в колесе на подходящее время и продолжительность.

«Результаты были действительно поразительными», — сказал Маддалони. «Мыши продолжали просыпаться в соответствии с предыдущим световым циклом. Они были «слепы» к смене сезонов».

Когда нейроны mrEn1-Pet1 нарушены, SCN не адаптируется должным образом, подтвердила Даймеки. Она объяснила: «Это влияет на фундаментальный механизм в главном циркадном регуляторе».

Димеки и Маддалони хотят выяснить, является ли эта способность направлять различные нейротрансмиттеры в различные области мозга уникальной для нейронов mrEn1-Pet1.

От мыши к человеку
Применимость полученных результатов к здоровью человека будет зависеть от того, есть ли в нашем мозге нейроны mrEn1-Pet1 и сопоставимый циркадный контур.

Хотя ее команда еще не искала клетки mrEn1-Pet1 в мозговой ткани человека, Димеки воодушевлена ​​тем фактом, что нейроны находятся в стволе мозга мыши — эволюционно древней области, которая мало меняется у млекопитающих.

Еще один многообещающий признак: каждый раз, когда группа исследовала ствол мозга человека в поисках других типов клеток, высвобождающих серотонин, присутствующих в стволе мозга мыши, они их находили.

Кроме того, исследования с использованием визуализации показали связь между аномалиями в этой области мозга у людей и такими состояниями, как биполярное расстройство, сказал Даймеки.

«Мы думаем, что клетки будут там», — сказала она. «Если это так, было бы очень приятно дополнить наши ограниченные знания о том, как эволюционировал наш мозг, чтобы синхронизироваться с изменениями в освещении, и, возможно, помочь смягчить разрушительные последствия, которые может иметь нарушение регуляции адаптации к изменениям продолжительности дня для здоровья людей».