Чувствительность мозга к смене сезонов объяснили сдвигом фазы

Нейрофизиологи из Института мозга RIKEN (Япония) обнаружили, каким образом мозг определяет время года. В основе сезонных циркадных «часов» оказались сразу два парадоксальных явления – противофаза в работе суточных «биологических часов» – нейронов подкорковой нервной структуры – супрахиазмального ядра и превращение тормозного медиатора гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК) в возбуждающий. Работа опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, в ближайшее время она станет доступна онлайн. Пресс-релиз опубликован на сайте института.

Ученые содержали две группы лабораторных мышей в условиях короткого и длинного светового дня, после чего извлекли нервные ткани из их супрахиазмального ядра, которое у большинства животных играет роль своеобразного генератора суточных ритмов. Дело в том, что активность нейронов этого ядра имеет 24-х часовой цикл, и при этом они управляют выработкой мелатонина в эпифизе, который, в свою очередь, регулирует «биологические часы» всех остальных систем организма.

В извлеченных тканях обеих групп мышей, нейрофизиологи замерили уровень экспрессии гена Bmal1. Он лежит в молекулярной основе всего нервного механизма управления циркадными ритмами. Выяснилось, что у мышей, живших в условиях длинного светового дня, экспрессия Bmal1 находится в противофазе в двух разных участках супрахиазмального ядра – его вентральной (нижней) и дорсальной (верхней) областей. В то время как у мышей, содержавшихся в условиях короткого светового дня, они синхронизированы.

В последующих экспериментах было показано, что ключевую роль в десинхронизации работы нейронов дорсального и вентрального отделов супрахиазмального ядра играет медиатор ГАМК. Если исследователи блокировали его активность, то четкая противофаза в экспрессии Bmal1, а соответственно и работе нейронов прекращалась. Но самое удивительное было то, что ГАМК – общеизвестный тормозный медиатор, выступал для нейронов дорсальной области ядра как возбуждающий. Он одновременно воздействовал на оба кластера нервных клеток, но работу одних (вентральных) прекращал, а работу других (дорсальных) стимулировал.

Чтобы понять как это оказалось возможно, ученым пришлось поставить еще одну серию экспериментов, в которой выяснилось, что при коротком световом дне в дорсальной области количество хлоридов в клетке остается стабильно небольшим (на некоем базовом уровне), а при длинном световом дне резко возрастает, и при таких условиях ГАМК превращается для этих нейронов из тормозного нейромедиатора в возбуждающий.

Таким образом, продолжительность светового дня повышает уровень хлоридов в клетке, который, в свою очередь, переопределяет действие медиатора ГАМК. А сам этот медиатор становится основной причиной десинхронизации двух противолежащих кластеров нейронов. Как только эти несколько парадоксальных компонентов складываются в единый паззл – весь организм подстраивается под работу в условиях зимы или лета, точно перекоординируя свои ритмы.

Ранее уже было показано, что в нейронах супрахиазмального ядра действуют «насосы» наполняющие клетку хлоридами и выкачивающие их при переполнении. Их работа напрямую зависит от суточного ритма — при снижении продолжительности светового дня наполняющие «насосы» становятся менее эффективными, из-за чего повышается количество хлоридов в определенных группах нейронов в весенне-летний период. Как именно эффективность насосов связана с длиной дня, пока не ясно.