Хронобиология — это область биологии , которая изучает процессы синхронизации , включая периодические (циклические) явления в живых организмах, такие как их адаптация к солнечным и лунным ритмам. [1] Эти циклы известны как биологические ритмы. Хронобиология происходит от древнегреческого χρόνος ( chrónos , что означает «время»), и биологии , которая относится к изучению или науке о жизни . Родственные термины хрономика и хроном использовались в некоторых случаях для описания либо молекулярных механизмов, вовлеченных в хронобиологические явления, либо более количественных аспектов хронобиологии, особенно там, где требуется сравнение циклов между организмами.
Хронобиологические исследования включают, помимо прочего, сравнительную анатомию , физиологию , генетику , молекулярную биологию и поведение организмов, связанное с их биологическими ритмами . [1] Другие аспекты включают эпигенетику , развитие, воспроизводство, экологию и эволюцию.
Хронобиология изучает изменения сроков и продолжительности биологической активности в живых организмах, которые происходят для многих важных биологических процессов. Они происходят (a) у животных (еда, сон, спаривание, спячка, миграция, клеточная регенерация и т. д.), (b) у растений (движения листьев, фотосинтетические реакции и т. д.) и у микробных организмов, таких как грибы и простейшие. Они были обнаружены даже у бактерий , особенно среди цианобактерий (они же сине-зеленые водоросли, см. бактериальные циркадные ритмы ). Наиболее изученным ритмом в хронобиологии является циркадный ритм , примерно 24-часовой цикл, демонстрируемый физиологическими процессами во всех этих организмах. Термин циркадный происходит от латинского circa , что означает «около» и dies , «день», что означает «приблизительно день». Он регулируется циркадными часами .
Циркадный ритм можно далее разбить на рутинные циклы в течение 24-часового дня: [2]
В то время как циркадные ритмы определяются как регулируемые эндогенными процессами, другие биологические циклы могут регулироваться экзогенными сигналами. В некоторых случаях мультитрофические системы могут демонстрировать ритмы, управляемые циркадными часами одного из членов (которые также могут подвергаться влиянию или сбрасываться внешними факторами). Эндогенные растительные циклы могут регулировать активность бактерий, контролируя доступность фотосинтата, произведенного растением.
Также изучаются многие другие важные циклы, в том числе:
В каждом цикле период времени, в течение которого процесс более активен, называется акрофазой . [4] Когда процесс менее активен, цикл находится в своей батифазе или фазе дна . Конкретный момент наивысшей активности — это пик или максимум ; самая низкая точка — надир .
Циркадный цикл был впервые обнаружен в XVIII веке в движении листьев растений французским ученым Жаном-Жаком д'Орту де Мераном . [5] [6] В 1751 году шведский ботаник и натуралист Карл Линней (Carl von Linné) спроектировал цветочные часы, используя определенные виды цветковых растений . Расположив выбранные виды по кругу, он спроектировал часы, которые указывали время суток по цветам, которые были открыты в каждый данный час. Например, среди членов семейства маргариток он использовал растение ястребиная борода , которое открывало свои цветы в 6:30 утра, и ястребиный бит , который не открывал свои цветы до 7 утра. [7]
Симпозиум 1960 года в лаборатории Колд-Спринг-Харбор заложил основу для развития области хронобиологии. [8]
В 1960 году Патрисия ДеКурси изобрела кривую фазового отклика , один из основных инструментов, используемых с тех пор в этой области.
Франц Халберг из Университета Миннесоты , который придумал слово «циркадный », широко считается «отцом американской хронобиологии». Однако именно Колин Питтендриг , а не Халберг был избран руководителем Общества по исследованию биологических ритмов в 1970-х годах. Халберг хотел больше внимания уделять человеческим и медицинским вопросам, в то время как Питтендриг имел больше опыта в области эволюции и экологии. Под руководством Питтендрига члены Общества проводили фундаментальные исследования всех типов организмов, растений и животных. В последнее время стало трудно получить финансирование для таких исследований на любых других организмах, кроме мышей, крыс, людей [9] [10] и плодовых мушек .
В 2002 году Хаттар и его коллеги показали, что меланопсин играет ключевую роль в различных фотонных реакциях, включая зрачковый световой рефлекс и синхронизацию биологических часов с ежедневными циклами света и темноты. Он также описал роль меланопсина в ipRGC . Используя ген меланопсина крысы, специфичные к меланопсину антитела и флуоресцентную иммуноцитохимию , команда пришла к выводу, что меланопсин экспрессируется в некоторых RGC. Используя анализ бета-галактозидазы , они обнаружили, что эти аксоны RGC выходят из глаз вместе со зрительным нервом и проецируются в супрахиазматическое ядро (SCN), основной циркадный пейсмекер у млекопитающих . Они также продемонстрировали, что RGC, содержащие меланопсин, по своей природе светочувствительны. Хаттар пришел к выводу, что меланопсин является фотопигментом в небольшом подмножестве ГКС, который способствует внутренней светочувствительности этих клеток и участвует в их функциях, не связанных с формированием изображения, таких как фотонная фиксация и зрачковый световой рефлекс. [11]
Хаттар, вооруженный знаниями о том, что меланопсин является фотопигментом, ответственным за светочувствительность ipRGC, приступил к изучению точной роли ipRGC в фотоускорении . В 2008 году Хаттар и его исследовательская группа пересадили гены дифтерийного токсина в локус гена меланопсина мыши, чтобы создать мутантных мышей, у которых отсутствовали ipRGC. Исследовательская группа обнаружила, что, хотя мутанты испытывали небольшие трудности с определением визуальных целей, они не могли подстраиваться под циклы свет-темнота. Эти результаты привели Хаттара и его команду к выводу, что ipRGC не влияют на зрение, формирующее изображение, но существенно влияют на функции, не связанные с формированием изображения, такие как фотоускорение. [11]
Дальнейшие исследования показали, что ipRGCs проецируются в различные ядра мозга для управления как функциями формирования изображений, так и функциями формирования изображений. [12] Эти области мозга включают SCN, где входные данные от ipRGCs необходимы для фотосинхронизации циркадных ритмов, и оливковое претектальное ядро (OPN), где входные данные от ipRGCs контролируют зрачковый световой рефлекс. [13] Хаттар и его коллеги провели исследования, которые продемонстрировали, что ipRGCs проецируются в гипоталамические, таламические, стратальные, стволовые и лимбические структуры. [14] Хотя изначально ipRGCs рассматривались как однородная популяция, дальнейшие исследования показали, что существует несколько подтипов с различной морфологией и физиологией. [12] С 2011 года лаборатория Хаттара [15] внесла свой вклад в эти открытия и успешно различала подтипы ipRGCs. [13]
Хаттар и коллеги использовали стратегии на основе Cre для маркировки ipRGC, чтобы показать, что существует по крайней мере пять подтипов ipRGC, которые проецируются на ряд центральных целей. [13] На сегодняшний день у грызунов охарактеризовано пять классов ipRGC, от M1 до M5. Эти классы различаются по морфологии, дендритной локализации, содержанию меланопсина, электрофизиологическим профилям и проекциям. [12]
Хаттар и его коллеги обнаружили, что даже среди подтипов ipRGC могут быть обозначены наборы, которые по-разному контролируют циркадное и зрачковое поведение. В экспериментах с M1 ipRGC они обнаружили, что фактор транскрипции Brn3b экспрессируется M1 ipRGC, нацеленными на OPN, но не теми, которые нацелены на SCN. Используя эти знания, они разработали эксперимент по скрещиванию мышей Melanopsin- Cre с мышами, которые условно экспрессировали токсин из локуса Brn3b. Это позволило им выборочно удалять только OPN, проецирующий M1 ipRGCS, что привело к потере зрачковых рефлексов. Однако это не нарушило циркадное фотоувлечение. Это продемонстрировало, что M1 ipRGC состоят из молекулярно различных субпопуляций, которые иннервируют различные области мозга и выполняют определенные светоиндуцированные функции. [13] Эта изоляция «маркированной линии», состоящей из различных молекулярных и функциональных свойств в высокоспецифичном подтипе ipRGC, была важным первым достижением в этой области. Она также подчеркнула, в какой степени молекулярные сигнатуры могут использоваться для различения популяций RGC, которые в противном случае казались бы одинаковыми, что, в свою очередь, облегчает дальнейшее исследование их специфического вклада в визуальную обработку. [13]
Предыдущие исследования в области циркадной биологии установили, что воздействие света в ненормальные часы приводит к лишению сна и нарушению циркадной системы, что влияет на настроение и когнитивные функции . Хотя эта косвенная связь была подтверждена, не было проведено много работ для изучения того, существует ли прямая связь между нерегулярным воздействием света, аберрантным настроением, когнитивной функцией, нормальным режимом сна и циркадными колебаниями. В исследовании, опубликованном в 2012 году, лаборатория Хаттар смогла показать, что девиантные световые циклы напрямую вызывают симптомы, подобные депрессии , и приводят к нарушению обучения у мышей, независимо от сна и циркадных колебаний. [16]
ipRGCs проецируются в области мозга, которые важны для регуляции циркадной ритмики и сна, в первую очередь в SCN , субпаравентрикулярное ядро и вентролатеральную преоптическую область. Кроме того, ipRGCs передают информацию во многие области лимбической системы , которая тесно связана с эмоциями и памятью. Чтобы изучить связь между девиантным воздействием света и поведением, Хаттар и его коллеги изучали мышей, подвергавшихся чередованию 3,5-часовых световых и темных периодов (мыши T7), и сравнивали их с мышами, подвергавшимися чередованию 12-часовых световых и темных периодов (мыши T24). По сравнению с циклом T24, мыши T7 получали одинаковое количество общего сна, и их циркадная экспрессия PER2 , элемента водителя ритма SCN, не была нарушена. В течение цикла T7 мыши подвергались воздействию света во всех циркадных фазах. Световые импульсы, подаваемые ночью, приводят к экспрессии фактора транскрипции c-Fos в миндалевидном теле , латеральной уздечке и субпаравентрикулярном ядре, что дополнительно указывает на возможное влияние света на настроение и другие когнитивные функции. [17]
Мыши, подвергнутые циклу T7, демонстрировали симптомы, похожие на депрессию, демонстрируя сниженное предпочтение сахарозы (сахарозная ангедония) и демонстрируя большую неподвижность, чем их коллеги T24 в тесте принудительного плавания (FST) . Кроме того, мыши T7 поддерживали ритмичность в сывороточном кортикостероне , однако уровни были повышены по сравнению с мышами T24, тенденция, которая связана с депрессией. Хроническое введение антидепрессанта флуоксетина снизило уровни кортикостерона у мышей T7 и уменьшило депрессивное поведение, оставив их циркадные ритмы неизменными. [16]
Гиппокамп — это структура в лимбической системе, которая получает проекции от ipRGC. Он необходим для консолидации краткосрочных воспоминаний в долгосрочные, а также для пространственной ориентации и навигации. Депрессия и повышенный уровень кортикостерона в сыворотке связаны с нарушением обучения гиппокампа. Хаттар и его команда проанализировали мышей T7 в водном лабиринте Морриса (MWM) , пространственном обучающем задании, которое помещает мышь в небольшой бассейн с водой и проверяет способность мыши находить и запоминать местоположение спасательной платформы, расположенной чуть ниже ватерлинии. По сравнению с мышами T24, мышам T7 потребовалось больше времени, чтобы найти платформу в последующих испытаниях, и они не проявили предпочтения к квадранту, содержащему платформу. Кроме того, у мышей T7 наблюдалось нарушение долговременной потенциации гиппокампа (LTP) при стимуляции тета-вспышкой (TBS). Также пострадала память распознавания, при этом мыши T7 не смогли проявить предпочтения к новым объектам в тесте на распознавание новых объектов. [18]
Мыши без (мыши Opn4 aDTA/aDTA ) не восприимчивы к негативным эффектам аберрантного светового цикла, что указывает на то, что световая информация, передаваемая через эти клетки, играет важную роль в регуляции настроения и когнитивных функций, таких как обучение и память. [19]
Совсем недавно Альфред Дж. Леви ( OHSU ), Жозефина Арендт ( Университет Суррея , Великобритания) и другие исследователи исследовали светотерапию и введение мелатонина как средство для сброса циркадных ритмов животных и человека. Кроме того, присутствие слабого света ночью ускоряет циркадную повторную адаптацию хомяков всех возрастов на 50%; считается, что это связано с имитацией лунного света. [20]
Во второй половине 20-го века существенный вклад и формализация были сделаны такими европейцами, как Юрген Ашофф и Колин Питтендрай , которые придерживались различных, но взаимодополняющих взглядов на явление увлечения циркадной системы светом (параметрическое, непрерывное, тоническое, постепенное против непараметрического, дискретного, фазового, мгновенного соответственно [21] ).
Люди могут иметь склонность быть «жаворонками» или «совами»; эти поведенческие предпочтения называются хронотипами , для которых существуют различные оценочные анкеты и корреляции биологических маркеров. [22]
Существуют также биологические часы, управляемые пищей, которые не ограничиваются супрахиазматическим ядром. Местоположение этих часов оспаривается. Однако, работая с мышами, Фуллер и др. пришли к выводу, что часы, управляемые пищей, по-видимому, находятся в дорсомедиальном гипоталамусе . Во время ограниченного питания они берут на себя контроль над такими функциями, как синхронизация активности, увеличивая шансы животного на успешное обнаружение пищевых ресурсов. [23]
В 2018 году исследование, опубликованное в PLoS ONE, показало, что 73 психометрических показателя, измеренных в контенте Twitter, следуют суточному шаблону. [24] Последующее исследование, опубликованное на Chronobiology International в 2021 году, показало, что эти шаблоны не были нарушены карантином в Великобритании в 2020 году. [25]
В 2021 году ученые сообщили о разработке светочувствительного модулятора циркадных ритмов тканей, действующего в течение нескольких дней, посредством ингибирования Ck1 . Такие модуляторы могут быть полезны для хронобиологических исследований и восстановления органов, которые «рассинхронизированы». [26] [27]
Хронобиология — междисциплинарная область исследований. Она взаимодействует с медицинскими и другими областями исследований, такими как медицина сна , эндокринология , гериатрия , спортивная медицина , космическая медицина и фотопериодизм . [28] [29] [30]
Доступно по лицензии CC BY 4.0.