学术笔记第九篇哺乳动物生物钟的中央

学术笔记哺乳动物生物钟的中央振荡器：视交叉神经上核报告人：SatoHonma整理人：翟巧成审核人：徐璎SatoHonma教授在“国际时间生物学暑期学校”中讲座“国际时间生物学暑期学校”的第四天（8月4日）上午，来自日本北海道大学脑科学教研中心的SatoHonma教授为学员们带来了一场关于哺乳动物的中央振荡器：视交叉神经上核（SuprachiasmaticNucleus，SCN）的讲座。SatoHonma教授从SCN的历史、解剖及生理特点、神经环路和功能四方面向我们系统地介绍这个最关键的哺乳动物生物钟的神经核团。学术笔记1SCN成为生物钟中央振荡器的历史年，SCN损毁导致大鼠行为学上的节律消失。年，分离的SCN仍然具有节律。、年，SCN移植可以使无节律的鼠恢复节律。年，首个节律突变(短周期)动物模型：Tauhamster的出现，移植实验表明了SCN决定小鼠的周期表型，是哺乳动物的中央振荡器。随后，科学家对SCN的功能及SCN驱动生物钟运转的机制进行了进一步的研究。2SCN的解剖学特征和生理特点定位：SCN位于下丘脑最腹侧，处于视交叉神经终末处（图1）。图1.SCN在人和小鼠中的定位生理特点：SCN是由约个神经元细胞组成的异质性核团，有左右对称两部分，前后径-um。SCN神经元大部分属于GABA能的神经元，可以分为核心区域和外壳区域。其中，核心区域主要负责接收外界及邻近核团的信号，该区域神经元主要表达VIP和GRP，神经元活性能被光诱导；外壳区域主要负责投射到其他核团，是一类输出神经元，主要表达AVP（图2）。SCN神经元也能直接接受视网膜的神经投射。图2.SCN的结构和功能特点细胞及组织水平的节律：年，Shirakawa等人在单个SCN神经元水平检测到其放电具有24h节律性。随着脑片培养技术的发展以及mPer1-luc小鼠的构建成功，人们可以在体外培养的SCN中检测到长期的Per1基因的节律表达。Shirakawa等人还发现分离的SCN细胞在PER2表达以及放电具有自身的特定周期的节律。年，Nakamura通过SCN脑片成像，发现SCN中Per1的表达以及放电的节律发生同步化。年，S.Honma发现在分离的大鼠SCN细胞中，其放电周期比较分散，但是在组织水平，放电周期都向24h集中，在行为学水平，大鼠都表现为24h周期或者略大于24h。说明SCN神经联系促使神经元的同步化，同时SCN与其他核团的作用又使行为学进一步发生同步化。3SCN环路SatoHonma教授认为SCN中，有节律的细胞同步化形成区域性振荡器（图3）。这种区域性振荡器可以通过改变他们之间的相位关系、去偶联或者去同步化来适应外界的刺激，使其在适应外界环境上更具有优势。比如AVP神经元和VIP神经元之间会发生去同步化；SCN的腹侧和背侧在用新的LD光照条件诱导时会发生去偶联；甚至SCN左右两侧也会发生去偶联，导致仓鼠跑轮行为学上的分离。在夏季和冬季的时候，为了适应不同的光照周期（长白天和短白天），SCN中的M振荡器和E振荡器也会通过相互协调来调整行为学上活动时间的长短。Inagaki等人在年发现SCN的头部区域和尾部区域在不同的光周期条件下反应不同，其中头部区域于活动起始相关，尾部区域与活动终点相关。图3.SCN的区域性振荡器结构和网络联系不同的细胞以及区域性振荡器之间的联系：1）神经元互作：年，Honma等人发现功能性突触可以同步化单个神经元的节律。

年Albus等人发现阻断GABA受体可以破坏SCN腹侧和背侧的偶联。

2）离子通道：TTX处理之后SCN的Per1表达节律受到严重抑制，单细胞水平去同步化；单细胞内的钙离子节律仍然存在，但是SCN腹侧和背侧的相位发生了很大变化。

3）多肽：VIP或VIP受体缺失导致小鼠节律失常，而且SCN中细胞发生去同步化。cry双敲小鼠的SCN在单细胞水平有节律但是没有同步化，当把它和野生型的SCN共培养时，节律恢复。其他多肽如AVP也可以促进SCN神经元之间的偶联。AVP受体敲除的SCN节律性可以被共培养的野生型SCN恢复；AVP受体阻断剂可以抑制野生型SCN的恢复作用。此外，在AVP神经元中敲除Bmal1会使小鼠活动的起始和终止分离。

SCN神经元之间的联系使得SCN对温度不敏感，而外周组织能很好地被温度牵引。

4节律性的输出及对外周时钟的调控每种组织都具有其特定的周期，具有不同的相位。SCN可以通过直接重置组织的生物钟或者间接通过交感神经、激素、体温或者代谢产物等等来调节外周生物钟。然而，当SCN被损毁之后尽管每种组织拥有自身的外周生物钟，所有节律依然消失。当外周组织缺乏来自SCN的信号的时候，组织细胞之间会发生去同步化。有趣的是，SCN损毁后把嗅球在体外培养时，嗅球又重新开始震荡，表现为体内节律消失，体外节律稳固。QuestionAnwserQ1：将一个野生型的SCN移植到另外一只小鼠的脑中，如何让神经元之间重新连接？A1：这是个问题，实际上，我们试图追踪神经元来探究SCN输出到行为学的通路是什么，但是没有成功。然后她认为可能存在一些可以扩散的因子而不是神经元连接使得SCN移植实验成功。因此，她把SCN放在胶囊里面，胶囊上有很多非常小的孔，这些小孔能让小分子肽通过，但是神经元不能通过胶囊，这样就能使SCN移植获得供体的行为学表型。Q2：如果同时观察SCN的自发荧光和放电信号，这些神经元是否有相同的周期？A2：我们不确定，在观察自发荧光的时候，我们可以分辨出单个细胞，但是在检测放电活动的情况下，我们很难鉴定出某个特定神经元的活动，或许我们需要另外一个能检测电信号的报告子或者转化为荧光信号来区分某个特定神经元。Q3-1：你有测过分离的SCN神经元的钙信号吗？A3-1：我们还没有。Q3-2：那如果TTFL非常稳固，SCN神经元不应该会被分离所影响，所以为什么我们不能认为钙离子的节律是非TTFL依赖的呢？A3-2：这个很容易验证，但我们还没做，谢谢。Q4-1：你说你把野生型的SCN切片放在带有缺陷的SCN上，第二天就能看到节律了吗？A4-1：大概需要几天，1-2天。Q4-2：我们认为新生的小鼠的SCN神经元增长的比较快，所以可能是神经元之间的接触而不是可扩散的因子产生作用？A4-2：我们一般用一张膜去把两个共培养的SCN分隔开来，使得两者之间神经元不能接触。Q5-1：你说新生是cry双敲小鼠没有节律不是因为细胞里面缺乏时钟，而是因为细胞之间去同步化？A5-1：即使在成年的cry双敲小鼠中，SCN单个细胞也有节律，但是细胞之间没有同步化。但是是新生的cry双敲的小鼠中，SCN是同步化的，拥有非常好的节律，可能存在一些因子使得SCN神经元之间紧密联系起来，但是这种节律在出生后14-21天消失。Q5-2：那我们为什么说cry1和cry2是时钟振荡器呢？A5-2：所以这是个问题。Reference1.MooreRY,EichlerVB.Lossofacircadianadrenalcorticosteronerhythmfollowingsuprachiasmaticlesionsintherat.BrainRes.42:-6,2.StephanF,ZuckerI.Circadianrhythmsindrinkingbehaviorandlo







































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