Электрофизиологическая и нейрохимическая характеристика супрахиазматического ядра

Биологические ритмы представляют собой регулярные циклы физиологической, метаболической и поведенческой активности, которые позволяют организму адекватно реагировать на воздействие различных геофизических факторов, являющихся следствием суточного вращения Земли, лунных циклов, вращения Земли вокруг Солнца. Наибольший биологический интерес представляют циркадианные ритмы, проявляющиеся в виде околосуточных циклов сон-бодрствование, изменений температуры тела, секреции гормонов, двигательной активности, частоты сердечных сокращений и др. Важно отметить, что все эти ритмы имеют одинаковый период (около 24 часов) и поддерживаются даже в отсутствие внешних «подстраивающих» факторов, таких как изменения освещ ё нности и температуры окружающей среды. Циркадианные ритмы являются внешними проявлениями активности супрахиазматического ядра (SCN) гипоталамуса, которое выполняет функцию биологических часов у млекопитающих. Согласно существующим представлениям, сигналы, генерируемые данным ядром, регулируют физиологические и поведенческие ритмы на уровне структур ЦНС и периферических тканей.

Структурно-функциональные свойства SCN наиболее подробно исследованы на грызунах. У этих животных SCN представляет собой небольшое парное ядро, непосредственно прилегающее с дорсальной стороны к хиазме зрительных нервов и содержащее около 10 000 нейронов [1]. SCN состоит из фенотипически гетерогенных мелких (диаметр сомы 7-12 мкм) нейронов, содержащих широкий спектр нейромедиаторов и нейромодуляторов, среди которых наиболее распростран ё нным является ГАМК [22, 25]. Морфологически в SCN выде-

ляют «ядро», расположенное в вентролатеральной части ядра, и «оболочку», включающую дорсомедиальные отделы SCN. Выделение «ядра» в SCN первоначально основывалось на результатах изучения локализации входов из сетчатки: подавляющее большинство волокон ретиногипоталамического тракта, через посредство которого в SCN поступает наиболее важная «подстраивающая» информация от фоторецепторов сетчатки, оканчивается в области «ядра». Вместе с тем обнаружены существенные различия в фенотипических свойствах нейронов «ядра» и «оболочки» [3, 6, 23]. В частности, оказалось, что последняя содержит большое количество нейронов, синтезирующих аргинин-вазопрессин [31], в то время как область «ядра» характеризуется наличием нейронов разнообразных нейрохимических фенотипов, среди которых обнаружено большое количество клеток, синтезирующих вазоактивный интестинальный полипептид и гастрин-рилизинг пептид [11]. В SCN обнаружено большое количество других нейропептидов, в частности, соматостатина, тахикининов, ангиотензина II, энкефалинов, нейротензина, калретинина, калбайн-дина, при этом существуют значительные межвидовые различия в пространственном распределении нейропептидов в SCN [4, 21, 27].

Особый интерес представляет характер электрической активности нейронов SCN. Исследования in vivo и in vitro выявили значительный процент клеток, обладающих спонтанной активностью. При этом, уровень спайковой активности большинства нейронов ритмически колеблется с периодом около 24 часов, повышаясь в дневное время и снижаясь в ночные часы [12, 20, 29]. В подавляющем большинстве работ, посвящённых анализу спайковой активности клеток SCN, в качестве основного исследуемого параметра использована частота генерации потенциалов действия. В то же время крайне недостаточно изучены другие аспекты электрической активности этих клеток. В наших собственных работах, выполненных в рамках совместной программы научных исследований с коллегами из университета Кэмбриджа (Великобритания) было продемонстрировано, что в качестве параметров, характеризующих кодирование информации нейронами гипоталамуса, может успешно использоваться энтропия логарифма межспайкового интервала как мера нерегулярности спайковой активности и обоюдная информация (mutual information) между соседними межспайковыми интервалами как мера выраженности паттерна [7-9]. Нам удалось обнаружить наличие циркадианного ритма энтропии у нейронов SCN с пиком в середине субъективной ночной фазы. Интересно, что статистическая значимость ритма энтропии (Р < 0.001: тест Монте-Карло) оказалась значительно выше, чем циркадианного ритма логарифма среднего межспайкого интервала — параметра, производного от средней частоты генерации спайков (Р = 0.012: тест Монте-Карло). Таким образом, циркадианные изменения уровня электрической активности нейронов SCN сопровождаются выраженными изменениями регулярности генерации спайков, что может играть важную роль в регуляции паттерна высвобождения нейромедиаторов как внутри данного ядра, так и в других структурах-мишенях, иннервируемых клетками SCN.

Наряду с информацией, поступающей в SCN от фоторецепторов сетчатки, в «подстройке» уровня активности нейронов SCN важную роль играет ряд эндогенных нейроэндокринных факторов, наиболее важным среди которых считается гормон мелатонин. Недавно в нашем исследовании in vitro [16] на переживающих срезах гипоталамуса были продемонстрированы возможные электрофизиологические механизмы действия мелатонина на уровне нейронов SCN. Было установлено, что воздействие мелатонина не оказывает влияния на среднюю частоту генерации потенциалов действия нейронами SCN. В то же время, данный гормон повышал нерегулярность генерации спайков, что проявлялось в росте энтропии логарифма межспайкового интервала (Р = 0.004: парный тест Стьюдента). Кроме этого, под действием мелатонина обнаруживался рост обоюдной информации между соседними межспайковыми интервалами (Р < 0.001: тест Уилкоксона). В экспериментах, выполненных в условиях фиксации мембранного тока, показано, что в основе этих изменений могут лежать влияния мелатонина на мембранный потенциал клеток SCN и форму их спайков. В частности, мелатонин оказывал гиперполяризующее действие (Р = 0.019: тест Уилкоксона) на мембрану популяции нейронов SCN, обладавших способностью генерировать спайки под воздействием кратковременной 250 мс гиперполяризации мембраны. Этот эффект сопровождался ростом входного сопротивления (Р = 0.007: тест Уилкоксона), что свидетельствует о снижении ионной проводимости мембраны под влиянием мелатонина. Влияние мелатонина также выражалось в статистически значимом росте амплитуды следовой деполяризации (Р = 0.007: тест Уилкоксона) и в укорочении продолжительности следовой гиперполяризации (Р = 0.013: тест Уилкоксона). Обнаруженные изменения в форме следовых потенциалов способны приводить к соответствующим изменениям возбудимости мембраны нейронов SCN в определённые периоды после потенциалов действия, что в свою очередь влияет на вероятность генерации последующих спайков и определяет характер эффектов мелатонина на кодирование информации клетками SCN.

Установлено, что нейроны «ядра» и «оболочки» обладают функциональными различиями, выявляемыми при исследовании их электрической активности и экспрессии циркадианных генов. В частности, в «ядре» обнаруживается меньший процент нейронов, демонстрирующих циркадианную ритмичность, чем в «оболочке»; кроме того, суточный пик электрической активности и экспрессии генов в нейронах «оболочки» наблюдается в более раннее время, чем в нейронах «ядра» [13, 18, 28]. К тому же в экспериментах in vivo продемонстрирована замедленная ресинхронизация нейронов «оболочки» по сравнению с нейронами «ядра» после фазового сдвига циркадианного ритма, индуцированного воздействием света [2, 24]. По всей видимости, функциональная гетерогенность нейронов «ядра» и «оболочки» в отношении их электрофизиологических свойств и экспрессии циркадианных генов тесно связана с фундаментальными физиологическими характеристиками SCN, в частности, она может определять оптимальную скорость и последовательность распространения синхронизирующего сигнала от фоторецепторов сетчатки, а также способствовать формированию адекватных параметров ритмического циркадианного эфферентного выхода из «оболочки» SCN [3, 6].

Несмотря на наличие единой нейрононой сети в SCN, циркадианная ритмичность ясно проявляется на уровне изолированных нейронов этого ядра. Дисперсная культура нейронов SCN, культивируемая на мультиэлектродных пластинках, способна генерировать циркадианный ритм спонтанной спайковой активности в течение нескольких недель [14, 30]. При этом когеррентность электрической активности существенно зависит от концентрации нейронов в культуре. В культурах с малым числом клеток на единицу площади поверхности ритмы активности индивидуальных нейронов могут значительно различаться по периоду и фазе [15]. Следовательно, в данных экспериментальных условиях, когда отдельные нейроны SCN слабо связаны между собой и не формируют развитой нейронной сети, они способны функционировать как автономные циркадианные пейсмекеры. Увеличение концентрации культивируемых нейронов приводит к формированию когеррентного согласованного выходного сигнала с синхронизированным периодом (приблизительно 24 часа) и максимумом активности в фазу субъективного дня, что аналогично картине, продемонстрированной на гипоталамических срезах [5, 10]. Таким образом, несмотря на то, что изолированные нейроны SCN обладают пейсмекерными свойствами, фазы циркадианного ритма их активности синхронизируются благодаря взаимодействию с другими нейронами сети, что в конечном итоге приводит к формированию когеррентного выходного сигнала.

Особый интерес вызывает исследование роли нарушений функции SCN в патогенезе различных заболеваний и разработка методов их лечения, связанных с целенаправленным воздействием на циркадианную функцию. Известно, что циркадианные ритмы нарушаются при самых разных патологических состояниях [17, 19]. Однако фенотипически проявляющиеся циркадианные нарушения не всегда являются следствием дисфункции SCN. Например, в нашей работе [26], выполненной на генетически модифицированных мышах, являющихся носителями гена болезни Хантингтона не удалось выявить статистически значимых различий уровня активности и кодирования информации нейронами этого ядра in vitro по сравнению с контрольными животными. Более того, на органотипических срезах гипоталамуса мышей-мутантов, с помощью техники люциферазного имиджинга было показано, что экспрессия циркадианных генов в изолированном SCN не изменена. Вместе с тем данная мутация in vivo закономерно приводит к выраженным нарушениям поведенческих циркадианных ритмов, которые сопровождаются расстройствами регуляции экспрессии циркадианных генов в SCN. Для объяснения полученных результатов предложена гипотеза о том, что механизм поведенческих и молекулярных циркадианных нарушений, выявленных у мышей-носителей гена болезни Хантингтона, обусловлен патологическими изменениями в нейронных сетях на уровне структур головного мозга, посылающих афферентные сигналы к нейронам SCN. Регулярное введение седативного препарата алпразолама привело к нормализации ранее нарушенной экспрессии некоторых генов в SCN и нормализовало некоторые поведенческие реакции, что, в частности, проявилось в улучшении результатов теста с распознаванием зрительных образов. В целом роль и механизмы участия нейронов SCN в патогенезе конкретных заболеваний требуют интенсивного изучения.