Циркадные часы контролируют физиологические процессы и поведение практически всех живых организмов. Теперь международная исследовательская группа под руководством ученых из Университета Вюрцбурга создала подробную карту внутренних часов в мозге плодовой мушки.

Все животные, включая людей, подвержены суточным ритмам в своей активности и сне, голоде, обмене веществ и воспроизводстве. Система, которая регулирует эти биологические ритмы, известна как циркадные часы . Она контролирует все процессы в организме в течение 24-часового периода.

У позвоночных «главные» часы находятся в мозге в области, называемой супрахиазматическим ядром (SCN). Эта область мозга отвечает за регулирование и синхронизацию ритмов не только в мозге, но и управляет другими часами в тканях по всему телу. Важно, чтобы наши телесные ритмы функционировали скоординированно, в противном случае нарушения этой системы могут привести к нарушениям сна и обмена веществ.

В исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications , группа исследователей из Университета Вюрцбурга (Германия), Университета Невады в Рино (США) и Университета Окаямы (Япония) создала первую полную карту циркадных часов в мозге мухи дрозофилы.

Руководили этой работой доктор Мит Зандавала, руководитель группы, и Нильс Рейнхард, аспирант (лаборатория Шарлотты Фёрстер и Дирка Ригера) кафедры нейробиологии и генетики Вюрцбургского университета.

«У позвоночных насчитывается около 20 000 нейронов, составляющих главные часы . Учитывая такое большое количество клеток и количество связей, которые они образуют в мозге, понимание взаимодействий и функционирования сети часов является сложным», — объясняет Зандавала, обосновывая необходимость проведения этого исследовательского проекта на мухе.

Чтобы решить такую ​​сложную задачу в меньших масштабах, ученые используют модельные организмы, мозг которых был картирован, например, муху, у которой около 140 000 нейронов.

Карта всех связей в мозге мухи
Для Drosophila международный исследовательский консорциум недавно опубликовал карту всех связей между всеми нейронами в мозге мухи — так называемый коннектом. «Этот ресурс с открытым доступом предоставляет инструменты для новых открытий в нейронауке и, в частности, для продвижения нашего понимания таких механизмов, как циркадные часы», — говорит Зандавала.

Вместе команда теперь использовала этот мозговой коннектом, чтобы найти все нейроны, которые составляют циркадные часы мухи. Результат: «Циркадные часы в мозге дрозофилы состоят по меньшей мере из 240 нейронов, что значительно больше первоначально оцененных 150».

«Некоторые из недавно идентифицированных часовых нейронов также демонстрируют характеристики, которые изначально были известны только по часовым нейронам позвоночных. Это означает, что механизмы работы часов у позвоночных и насекомых гораздо более схожи, чем предполагалось ранее», — говорит Нильс Рейнхард.

Наличие этого всеобъемлющего набора данных позволило исследователям дополнительно идентифицировать конкретные типы нейронов часов, которые функционируют совместно и координируют коммуникацию в сети часов.

Основа для будущих терапевтических подходов
Нейроны в часовой сети передают информацию о времени в другие области мозга , которые поддерживают обучение и память, навигацию, двигательный контроль , а также выработку и высвобождение гормонов. Установив часовую сеть, исследователи теперь могут отслеживать эти пути, чтобы определить, как координируются ритмические поведения, такие как кормление, сон и размножение, а также высвобождение гормонов.

Это подробное картирование часовой сети дрозофилы не только расширяет наше понимание того, как генерируются суточные ритмы , но и обеспечивает основу для изучения нарушений циркадной регуляции, связанных с такими заболеваниями, как нарушения сна и заболевания обмена веществ.

«Эти результаты дают нам подробную схему для понимания того, как мозг контролирует суточные циклы. Они создают основу для будущих терапевтических подходов к лечению проблем со здоровьем, связанных с циркадными ритмами», — говорит Зандавала.