Биологические часы дневных и ночных зверей отличаются по нейронному устройству
Специальный нейронный механизм в мозге дневных млекопитающих подавляет «сонные» команды из более древних мозговых центров, которые заставляют ночных животных засыпать на рассвете.
Самое наглядное проявление биологических ритмов – это чередование сна и бодрствования: с приближением ночи наши внутренние часы напоминают нам, что пора спать, а утром, подчиняясь тому же часовому механизму, мы просыпаемся. Однако есть животные, которые не спят, наоборот, в тёмное время суток, и день для них – время отдыха, как для нас ночь. Как получается, что одна и та же система циркадных ритмов способна отдавать противоположные команды?
Главной деталью во внутренних часах служит так называемое супрахиазмальное, или супрахиазматическое ядро – особая область в гипоталамусе. Супрахиазматическое ядро генерирует циркадные ритмы, управляет уровнем гормонов, от которых зависят циклы сна и бодрствования, и синхронизирует работу всех прочих «часовых отделов» в тканях и органах.
Очевидно, наши внутренние ритмы должны как-то сверяться с тем, что происходит снаружи, и само ядро получает информацию о том, день на дворе или ночь, от фоточувствительных ганглионарных клеток сетчатки. От прочих ганглионарных клеток они отличаются как раз тем, что могут чувствовать свет, причём преимущественно в синей области спектра. Напомним, что фоточувствительными клетками в сетчатке являются палочки и колбочки, а ганглионарные клетки проводят сигнал, поступающий от них. Но фоточувствительные ганглионарные клетки оказались особенными – они, как мы только что сказали, могут сами воспринимать свет, и связаны с супрахиазматическим ядром. Считается, что именно с помощью них ядро ориентируется во времени суток.
Раньше полагали, что различия в системе биологических часов начинаются после супрахиазматического ядра – якобы после него есть некий переключатель, который, приняв сигнал от ядра, интерпретирует его по-разному у дневных и ночных животных: ночной импульс превращается в команду «спать» у дневных и в команду «не спать» у ночных. Однако такой переключатель, который стоял бы после супрахиазматического ядра, так и не нашли – очевидно, потому, что он в действительности находится перед ним.
Цюнь-Юн Чжоу (Qun-Yong Zhou) и его коллеги из Калифорнийского университета в Ирвайне пишут в статье в Molecular Brain, что решающая роль тут принадлежит тем самым фоточувствительным ганглионарным клеткам сетчатки, про которые все думали, что их задача – только лишь передавать информацию в ядро. Сравнивая, как устроены нейронные механизмы, контролирующие сон и бодрствование у обезьян и мышей, исследователи заметили в мозге у тех и других два конкурирующих часовых центра.
У мышей «утренний» сигнал от клеток сетчатки (которые, напомним, особо чувствительны с синему свету) идёт к супрахиазмальному ядру, где и превращается в команду «спать». Но фоторецепторные клетки сетчатки связаны не только с ядром, они также посылают сигнал в структуру среднего мозга под названием верхнее двухолмие, и у обезьян «бодрящие» сигналы верхнего двухолмия преодолевают сонные импульсы супрахиазматического ядра.
То есть нейронный механизм, отвечающий за суточное чередование сна и бодрствования, у млекопитающих оказался «двуглавым»: с одной стороны, есть центр супрахиазматического ядра, который генерирует сонный сигнал, и есть центр верхнего двухолмия, который генерирует сигнал бодрствования. Причём и тот, и другой возникают в ответ на свет, то есть внешний раздражитель у нас один, а вот последствия – разные.
Особое значение тут приобретают фоточувствительные ганглионарные клетки сетчатки, так как и ядро, и двухолмие получают сигнал от них, и именно эти клетки фактически и являются тем самым переключателем, благодаря которому дневные и ночные животные отличаются друг от друга по своему суточному «расписанию».
Известно, что самые первые звери, которые были современниками динозавров, вели ночной образ жизни, и потому система светочувствительные клетки–супрахиазмальное ядро, очевидно, более древняя. Впоследствии, когда новые виды млекопитающих начали, что называется, осваивать дневное время суток, ганглионарные клетки стали плотнее работать с верхним двухолмием, а значение супрахиазмального ядра уменьшилось.
