Резюме их исследования области мозга, известной как супрахиазматическое ядро, или SCN, будет опубликовано в Интернете в журнале Current Biology в декабре. 22.
"Свет оказывает сильное, негативное и прямое влияние на сон человека. Мы испытываем это каждый вечер, когда выключаем свет перед сном, и каждое утро, когда открываем шторы, чтобы впустить свет.
Однако о том, как это происходит, было известно очень мало. Узнав, что SCN действительно необходим для того, чтобы свет напрямую регулировал сон, является важной частью головоломки циркадного ритма », – говорит Сет Блэкшоу, доктор философии.D., профессор нейробиологии медицинского факультета Университета Джона Хопкинса. "Наши шансы найти лечение для людей с нарушениями сна или просто сменой часовых поясов тем больше, чем больше мы понимаем деталей о том, как контролируется сон."
Блэкшоу говорит, что ученым уже давно известно, что SCN функционирует как главные часы для синхронизации сна и других так называемых циркадных ритмов у людей и других млекопитающих. Но его важность в более непосредственной регуляции сна, например, когда яркий свет кого-то будит, оставалось спорным, потому что эксперименты, необходимые для демонстрации его роли у живого животного, были практически невозможны. "Если вы хирургически удалили SCN у мышей, их сон и бодрствование больше не зависели от света немедленно, но вы не можете удалить SCN, не перерезав зрительный нерв, который передает световую информацию от сетчатки. Так что никто не знал, было ли это сопротивление свету вызвано отсутствием SCN или отсутствием зрительного нерва », – говорит Блэкшоу.
В экспериментах, впервые опубликованных несколько лет назад, команда Блэкшоу нашла способ нарушить нормальную функцию SCN, не удаляя ее физически и не повреждая зрительный нерв. Исследователи пытались идентифицировать гены, участвующие в развитии гипоталамуса мыши, области мозга, которая включает SCN. Они идентифицировали один такой ген, названный LHX1, который, по-видимому, первым «включился» в развитии SCN плода.
Для нового раунда экспериментов ученые использовали специальный генетический инструмент для удаления LHX1 только из клеток, составляющих SCN. Они обнаружили, что у мышей были сильно нарушены циркадные ритмы, хотя они все еще могли быть слабо синхронизированы со световыми циклами. Клетки SCN больше не производят шесть небольших сигнальных белков, которые, как известно, координируют и усиливают свои усилия, – биохимический процесс, известный как связывание.
Независимо от того, содержались ли мыши в постоянном свете, в постоянной темноте или в нормальных циклах того и другого, время и продолжительность их сна становились случайными.
В совокупности они спали одинаковое количество времени, около 12 часов каждые 24 часа, как и нормальные мыши, но не было закономерности в цикле.
«Этот эксперимент показал, что SCN имеет решающее значение для немедленного воздействия света на сон», – говорит Блэкшоу.
Ученые также заметили, что у мышей с нарушенным SCN температура тела не меняется нормально. Средняя температура тела человека составляет 37 градусов по Цельсию, но в течение дня она колеблется примерно на 1 градус Цельсия, самая высокая днем и самая низкая перед рассветом.
Похожая картина наблюдается у мышей. Эти небольшие колебания температуры могут иметь большое влияние на процессы, происходящие вне мозга, которые также находятся под циркадным контролем, такие как использование глюкозы и накопление жира, и предполагалось, что они могут быть основным способом, с помощью которого SCN контролирует эти телесные ритмы.
Напротив, одним из отличительных признаков циркадных процессов в организме, включая циклы внутренней температуры тела, является то, что они, как правило, не нарушаются большими перепадами температуры. «В противном случае вы бы чувствовали смену часовых поясов каждый раз, когда у вас поднималась температура», – говорит Блэкшоу. Но из экспериментов на мышах было неясно, был ли SCN ответственен за эту устойчивость к сильным перепадам температуры у живых животных.
Нормальные клетки SCN в лаборатории продолжают циклически синхронно безотносительно к импульсам температуры, но исследования другой группы показали, что они могут быть «сброшены» при изменении температуры, если они больше не могут сигнализировать друг другу.
Зная, что клетки SCN у их мышей с дефицитом LHX1 были так же повреждены, аспирант в лаборатории Блэкшоу Джозеф Бедонт предположил, что теперь их мыши могут вернуться к нормальным температурным циклам, если им дать тепловые импульсы.
Чтобы попробовать это, они ввели мышам, которых держали в темноте, молекулу, обнаруженную в стенках бактериальных клеток, от которой у них поднялась температура в ответ на предполагаемую угрозу. Лихорадка также является первым борцом с инфекциями у людей.
Как и предполагалось, вернулась их регулярная смена внутренней температуры.
«Эти результаты предполагают, что SCN действительно отвечает за термостойкость циркадных ритмов у живых животных, и это показывает нам, насколько важна связь SCN», – говорит Блэкшоу. "Это также подтверждает идею о том, что другие физиологические циклы организма, такие как голод и секреция гормонов, синхронизируются SCN через его регулирование внутренней температуры тела."
Дополнительные эксперименты выявили несколько молекул, которые могут направлять эти жизненно важные сигналы.
Команда Blackshaw планирует продолжить изучение каждого из них, чтобы определить их роли. Обладая этой информацией, разработчики лекарств будут лучше понимать, на какой компонент нацелить и как. Например, для лечения смены часовых поясов, по словам Блэкшоу, одним из гипотетических вариантов было бы кратковременное блокирование LHX1, чтобы клетки SCN разъединялись и их было легче сбросить, будь то свет или температура.
Но пока никто не знает, приведет ли этот план к нежелательным побочным эффектам или к желаемым результатам.