Исследователи из Медицинской школы Калифорнийского университета в Сан-Диего (США) выяснили роль ключевых нейронов, которые изменяют свою функцию в ответ на сезонные изменения освещенности. Это открытие поможет найти новые способы борьбы с психическими нарушениями, которые часто развиваются в осенне-зимний период. Результаты работы опубликованы в научном журнале Science Advances.
Сезонные изменения длины дня вызывают мультисинаптическое переключение нейротрансмиттеров, регулирующих активность гипоталамической сети.
Солнечный свет влияет на сигналы нейронов в супрахиазматическом ядре, «часовом механизме» мозга, который, в свою очередь, координирует биологические часы, регулирующие функции всего организма и, как следствие, поведение человека.
В гипоталамусе находится небольшая структура (объемом 1 мм3) под названием супрахиазматическое ядро (СХЯ), оно включает около 100 тысяч нейронов (в среднем человеческий мозг содержит примерно 86 млрд нейронов и еще 85 млрд не нейронных клеток). СХЯ по сути является хронометром организма, регулирующим большинство циркадных ритмов — физических, психических и поведенческих изменений, которые следуют 24-часовому циклу и влияют буквально на все — от метаболизма и температуры тела до времени выделения тех или иных гормонов.
СХЯ работает на основе информации, поступающей от специализированных светочувствительных клеток сетчатки глаз, которые сообщают нашему организму об изменениях освещенности и продолжительности дня.
Если долго длится день, разум не уходит в тень…
Давно замечено, что сезонные изменения освещенности — летом дни длиннее, зимой короче — связаны с поведением человека, оказывая влияние на режим сна и питания, умственную и физическую активность и пр. Яркий тому пример — сезонное аффективное расстройство (САР).
Этот тип депрессии, ассоциированный с уменьшением воздействия солнечного света, обычно возникает в зимние месяцы и более распространен в северных широтах, где продолжительность светового дня сокращена. Терапия ярким светом оказалась эффективным средством лечения САР, а также ряда других заболеваний, таких как несезонная тяжелая депрессия, послеродовая депрессия и биполярное расстройство. Но каким именно образом сезонные изменения длины дня и уровня освещенности влияют на мозг и изменяют его на клеточном и функциональном уровне, ученые до сих пор не знали.
В экспериментах на мышиных моделях был воссозданы и исследованы реакции головного мозга, затрагивающие нейроны супрахиазматического ядра, которые координируются между собой путем изменения экспрессии нейротрансмиттеров в ответ на стимулы, связанные с продолжительностью воздействия освещенности. Изменения активности мозга закономерно привели к изменению поведения подопытных животных.
Какой сезон — такое и настроение!
Если у мышей, чей мозг функционирует аналогично человеческому, нейроны изменили состав и экспрессию ключевых нейротрансмиттеров (что, в свою очередь, повлияло на активность мозга и последующее повседневное поведение), чтобы адаптироваться к разной продолжительности светового дня, логично предположить, что те же самые процессы происходят и с нами. Нейроны СХЯ координируются друг с другом, чтобы, изменяясь на клеточном и сетевом уровне, менять наше поведение.
И состав, и экспрессия ключевых нейротрансмиттеров меняются в зависимости от количества света на протяжении дня.
Кроме того, результаты исследования показали, что сезонные изменения освещенности влияют на количество нейронов, экспрессирующих нейротрансмиттеры в паравентрикулярном ядре (ПВЯ) — области мозга, которая играет важную роль в контроле стресса, метаболизма, роста, репродукции, иммунитета и других вегетативных функций.
По сути, выявлены новые молекулярные адаптации сети СХЯ/ПВЯ, возникающие в гипоталамусе в ответ на продолжительность светового дня.
Самым впечатляющим стало то, что ученые обнаружили, как искусственно манипулировать активностью конкретных нейронов СХЯ и успешно индуцировать экспрессию дофамина в гипоталамической сети.
Мультисинаптическое переключение нейротрансмиттеров, продемонстрированное в этом исследовании, может рассматриваться как та самая анатомическая/функциональная связь, которая опосредует сезонные изменения настроения и эффект светотерапии.
Между количеством дневного света и поведением человека обнаружена молекулярная связь.
Авторы исследования предполагают, что им удалось установить механизм, объясняющий, как мозг адаптируется к сезонным изменениям освещенности. А поскольку адаптация происходит в нейронах, расположенных в СХЯ, именно эта область мозга представляет собой перспективную мишень для новых методов лечения расстройств, связанных с сезонными изменениями освещенности. Команда считает, что обнаруженный ими механизм поможет регулировать работу мозга вне зависимости от количества солнечного света.
Давиде Дульцис, старший автор исследования, доцент кафедры психиатрии Медицинской школы Калифорнийского университета в Сан-Диего:
Сезонные изменения длины дня (фотопериод) влияют на множество физиологических функций. Ось «супрахиазматическое ядро — паравентрикулярное ядро» играет ключевую роль в обработке информации, связанной с фотопериодом. Влияние сезонных изменений в экспрессии нейротрансмиттеров СХЯ и ПВЯ отмечалось ранее на животных моделях и у людей. Однако молекулярные механизмы, с помощью которых сеть СХЯ/ПВЯ реагирует на изменение фотопериода, неизвестны.
Нам удалось показать в экспериментах на мышах, что нейроны нейромедина S (NMS) и вазоактивного кишечного полипептида (VIP) в СХЯ демонстрируют фотопериод-индуцированную нейротрансмиттерную пластичность. Регистрация динамики кальция in vivo показала, что нейроны NMS изменяют активность сети ПВЯ в ответ на фотопериод, ассоциированный с зимним сезоном.
Хронического воздействия на нейроны NMS достаточно для того, чтобы вызвать переключение нейромедиаторов в нейронах ПВЯ и повлиять на локомоторную активность. Результаты показывают ранее не идентифицированные молекулярные адаптации сети СХЯ/ПВЯ в ответ на продолжительность сезонной освещенности и роль нейронов NMS в адаптации функции гипоталамуса к длине светового дня через скоординированное мультисинаптическое переключение нейротрансмиттеров, влияющее в том числе и на поведение.