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科学家绘制了生物钟的接线图

人工智能 2021-05-26 16:13:27

圣路易斯华盛顿大学艺术与科学生物学教授埃里克·赫尔佐格(Erik Herzog)博士说,世界卫生组织将轮班工作视为潜在的致癌物。这只是当我们超越大脑中的生物钟并注意手腕上的机械钟而造成的许多麻烦中的一个例子。

在6月5日出版的《神经元》上,赫尔佐格及其同事报告了生物钟重要部分的发现:布线将其准确性设置为每天1440分钟中的几分钟。这种布线使用神经递质GABA连接生物钟中各个细胞的快速网络,该网络会随着时间的推移而改变强度。

睡眠和新陈代谢的每日节律是由上眼交叉核(SCN)的生物钟驱动的,SCN是大脑中由20,000个神经元组成的结构,所有这些神经元都可以单独保持每天(昼夜节律)时间。

如果SCN要成为一个健壮但灵敏的计时系统,则神经元必须彼此精确地同步,并根据环境调整其节奏。

Herzog的实验室在SCN中发现了一种推拉系统,可以同时实现这两种功能。在2005年,他们报告说时钟网络中的神经元通过一种神经肽(VIP)进行通信,从而推动它们彼此同步。

而且,正如他们现在在《神经元》中所报道的那样,这些神经元还与GABA进行通信,从而弱弱地牵拉着它们,因此它们之间的耦合并不是太紧密。

这两个网络(VIP和GABA)共同确保时钟按协调,精确的时计运行,但仍然可以调整其计时以与环境同步。

赫尔佐格说:“我们认为神经递质网络可以在系统中引入足够的抖动,从而使神经元能够在环境线索发生变化时重新同步,就像它们随季节变化一样。”

但是,他说,由于这种生物学的“重置按钮”在机械钟,人造灯和高速旅行之前就已经发展了很长时间,因此它没有引入足够的抖动,无法让我们快速适应现代生活的极端时移,例如就像在几个时区“向后”(向东)飞行一样。

了解SCN中的推拉系统对公共卫生具有巨大的影响,因为它确实影响着夏令时,轮班工作,学校开始时间,医疗实习时间表,卡车司机的工作时间以及许多其他需要解决的问题。大脑在手上紧紧地按时钟。

同步手机时钟

每个SCN神经元内部的“时钟”取决于一系列基因(例如“ Period”(PER)基因)的循环表达。这些基因的表达和神经元的放电速度通常在中午达到高峰,而在晚上下降。基因的活动就像时钟中的齿轮,电活动就像时钟中的指针。

SCN中的每个神经元都会保持时间,但是由于它们是不同的细胞,因此它们的节奏略有不同。有些跑得快一些,有些跑得慢一些。如果SCN整体上起时钟的作用,则其神经元需要彼此同步。

Herzog实验室最近的工作目标是弄清楚时钟单元如何相互连接。赫尔佐格说:“例如,尚不清楚每个神经元是否仅与少数几个邻居或所有邻居进行交流。”

实验室的研究生马克·弗里曼(Mark Freeman)开发了一种在多电极阵列上同时记录约100个神经元的放电速率的方法。赫尔佐格说:“您轻轻地使SCN神经元向下浮动,神经元将附着在电极上,在碟子上产生一个时钟,将在数周或数月内消失。”

利用这些电极阵列,他的实验室证明了SCN中的神经元是通过交换神经肽VIP(血管活性肠多肽)来同步的,这会改变PER的表达,从而加速或减慢神经元,直到它们完全同步。

这些同步网络非常精确,Herzog说。如果您让他们在持续的黑暗中自由奔跑,那么他们每天将失去或获得1,440分钟中的只有几分钟的时间。因此,它们的准确度在1%或2%以内。

但是它们与地球绕轴转一圈的24小时周期相差甚远。随着时间的推移,除非他们也有一些与当地时间同步的方法,否则他们将在那个周期之外漂移得足够远,以至于对我们没有多大用处。

重置手机时钟

在《神经元》上发表的文章中,赫尔佐格及其同事报道了生物钟中的第二个网络。

在该网络中,连接是由神经递质GABA(γ-氨基丁酸)建立的。赫尔佐格说:“我们证明了通过在细胞上使用阻断GABA受体的药物发现了GABA能网络。” “我们在神经元之间映射的所有连接都掉线了。”

值得注意的是,当网络中断时,时钟变得更加精确。因此,GABAergic网络破坏了时钟的稳定性;它有点摇晃。

Herzog指出,GABA能网络稀疏,脆弱且快速(比依赖于神经肽作用较慢的VIP网络要快得多),就像您可能希望产生的抖动一样。

“我们认为,GABAergic网络可以使我们的时钟适应环境的各种提示,例如日出和日落的逐渐,季节性变化,” Herzog说。

这有点像是在破坏一台失去垂直同步性的旧电视机,使它与广播信号重新同步。

但是时钟中没有足够的抖动来进行突然的调整,例如夏令时开始时的一小时前跳。赫尔佐格说,从统计上看,这种“向前冲”会增加心脏病发作和车祸的可能性。

一些激活GABA受体的助眠剂,例如苯二氮卓类,可能会使生物钟变得更加紧张,从而帮助人们适应较大的时差,例如跨时区飞行。“但是我们还不知道它们是否可以改善时差;如果这样做的话,我们想知道是由于它们帮助您长途飞行而入睡,还是因为它们帮助生物钟适应新的时区,” Herzog警告说。

无论如何,很明显,如果人们反复迫使时钟重设,那么他们所付出的不仅仅是睡眠。生物钟调节新陈代谢和细胞分裂以及睡眠/唤醒周期。因此,例如,轮班工作既与代谢性疾病(例如糖尿病)相关,也与表征癌症的细胞分裂不受控制有关。

与我们的生物钟搏斗不仅仅使我们喝蟹式咖啡。

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