Gesellschaftlich synchronisiert zirkadianen Oszillatoren quotSocial Modulation der zirkadianen Rhythmen 123has in verschiedenen Arten, wie Vögel 456, Nagetiere 789101112, Fledermäuse 13, Primaten 141516and Wirbellosen 17181920. Für eine Übersicht berichtet, siehe 2,21. Zusammenfassung Zusammenfassung Abstraktes ABSTRAKT: Südamerikanische unterirdische Nagetiere werden hauptsächlich als einsame und gegenseitige Synchronisation beschrieben, die niemals bei Individuen beobachtet wurde, die im Labor zusammengehalten wurden. Wir berichten, dass ein einziges Geburtsereignis in der Lage war, den robusten nächtlichen Aktivitätsrhythmus von einzeln untergebrachten Tuco-tucos aus Nordwest-Argentinien zu stören. Eine Rund-um-die-Uhr-Aktivität wurde von 8 von 13 Tieren angezeigt, deren Käfige näher an den Neugeborenen waren. Die experimentelle Exposition gegenüber einer Welpen-Vokalisation führte jedoch nicht zu einer ähnlichen Wirkung auf die Rhythmen von erwachsenen Tieren. Unsere Ergebnisse deuten auf eine Wirkung der sozialen Interaktion bei der Expression biologischer Rhythmen auch bei einsamen Tieren hin. Volltext-Artikel Oktober 2016 Frontiers in Behavioral Neuroscience Barbara Mizumo Tomotani Juan Pablo Amaya Gisele Akemi Oda Veronica Sandra Valentinuzzi quotAmong diese periodischen Schwankungen, Sonnenlicht ist der wichtigste Treiber der Anpassung (Morgan, 2004), da es Selektionsdruck im Zusammenhang ausübt, die direkt oder indirekt , Zur Primärproduktion und - temperatur (Pittendrigh, 1982). Diel-Synchronisation zwischen visuellen Raubtieren und Beute könnte ein weiterer wichtiger Mechanismus sein, der biologische Rhythmen auf Gemeinschaftsebene prägt (Bloch et al., 2013). Die Lichtintensität förderte die frühe Entwicklung der Augen in der Tierentwicklung, da sie die visuelle Prädation und die Fähigkeit potenzieller Opfer ermöglichten, Capture zu vermeiden (Paterson et al., 2011). Zusammenfassung Abstract Zusammenfassung ABSTRAKT: Licht-Intensitäts-Zyklen treiben die unnachgiebige Bewegung von Spezies in den Ozeanen, und Wassersäule Migranten können zyklisch Kontakt mit dem Meeresboden und damit Einfluss auf die zeitliche Dynamik der benthischen Ökosysteme. Der Einfluss des Lichts auf diesen Prozess ist bis heute weitgehend unbekannt. In dieser Studie konzentrieren wir uns auf das Auftreten von Tag-Nacht-Veränderungen in benthischen Gemeinschaften auf dem westlichen mediterranen Festlandsockel (100 m Tiefe) und Hang (400 m Tiefe) als potenzielles Ergebnis einer verhaltensorientierten benthopelagischen Kopplung. Wir analysierten die Schwankungen der Artenhäufigkeit auf der Basis von Schleppnetzen in stündlichen Intervallen über einen Zeitraum von 4 Tagen als Proxy von Aktivitätsrhythmen am Meeresboden. Wir haben auch Licht in situ gemessen, um zu ermitteln, wie sich die tiefenbedingte Abnahme ihrer Intensität auf Speziesrhythmen und das Auftreten der vermeintlichen benthopelagischen Synchronisation auswirkt. Zeitliche Ähnlichkeiten in den Fangmustern für verschiedene Arten wurden durch Dendrogrammanalyse untersucht. Auf dem Festlandsockel, Spezies diel Migrationen durchführen (das heißt über eine 24-Stunden-Periode), die entweder vertikal (das heißt süßwasser benthopelagisch) oder horizontal über Tiefen (d nektobenthic) zusammen gruppiert getrennt von den sesshaften endobenthic und epibenthischen Arten. In der gleichen Tiefe, Wellenform-Analyse zeigte eine signifikante tägliche Zunahme der Fang von Wassersäule Arten und benthische Arten in der Nacht. Eine solche Kopplung fehlte auf dem Kontinentalhang, wo die Lichtintensität um mehrere Größenordnungen niedriger war als die auf dem Regal. Unsere Daten deuten darauf hin, dass Diel-Aktivität Rhythmen, die für vertikale pelagische Migratoren bekannt sind, sind auch in den Benthos deutlich. Wir diskutieren die Rolle des Lichts als einen wichtigen Evolutionstreiber, der die Zusammensetzung und die biologische Vielfalt benthischer Gemeinschaften durch visuelle Prädation prägt. Volltext-Artikel Januar 2015 quotCircadian Rhythmen werden durch eine Vielzahl von Umwelt-Eingänge, einschließlich Licht, Nahrung, soziale Interaktion, und den öffentlichen und pharmakologischen Mitteln (Lall et al. 2012 Bloch et al. 2013 Patton und Mistlberger 2013 Pendergast und Yamazaki, 2014). Von diesen ist das Licht das stärkste der Synchronisationsmittel (Klein et al., 1991) und übt seinen Einfluss auf circadiane Rhythmen aus, indem es zunächst eine Untergruppe von retinalen Ganglienzellen angeregt, die anschließend die Neuronen innerhalb der zirkadianen Masteruhr im suprachiasmatischen Kern (2002), die in der Literatur beschrieben wurden (Hathard et al., 2002). Zusammenfassung Zusammenfassung Zusammenfassung Zusammenfassung ABSTRAKT: Aktuelle Berichte haben eine wechselseitige Beziehung zwischen zirkadianen Rhythmus Störung und Stimmungsstörungen dargestellt. Der 5-HT7-Rezeptor kann eine entscheidende Verbindung zwischen den beiden Seiten dieser Gleichung liefern, da der Rezeptor eine entscheidende Rolle bei Schlaf, Depression und zirkadianer Rhythmusregulation spielt. Um die Rolle des 5-HT7 Rezeptor als potentieller Pharmakotherapie definieren zirkadianen Rhythmus Störungen zu korrigieren, verwendet die aktuelle Studie des selektiven 5-HT7-Antagonist JNJ-18.038.683 (10 mgkg) in drei verschiedenen circadian Paradigmen. Während JNJ-18038683 unwirksam Phase war der Beginn der Radfahr Aktivität bei Mäusen Verschiebung, wenn sie bei verschiedenen Tageszeit (CT) Punkte über den zirkadianen Zyklus, eine Vorbehandlung mit JNJ-18038683 verabreicht nicht photic Phase voraus (CT6) blockiert durch die 5 induziert - HT1A7-Rezeptor-Agonisten 8-OH-DPAT (3 mg). Da Licht-induzierte Phasenverschiebungen bei Säugetieren durch die Modulation des serotonergen Systems teilweise vermittelt werden, haben wir bestimmt, ob JNJ-18038683 Phasenverschiebungen verändert, die durch einen Lichtimpuls induziert werden, der zu Zeiten bekannt ist, die der Phasenverzögerung (CT15) oder der Vorwärtsfahrt (CT22) Frei laufende Mäuse. Die Lichtbelastung führte zu einer robusten Verschiebung des Beginns der Aktivität in behandelten Tieren bei beiden getesteten Zeiten. Die Verabreichung von JNJ-18038683 schwächte die lichtinduzierte Phasenverzögerung signifikant ab und blockierte den Phasenfortschritt vollständig. Die aktuelle Studie zeigt, dass die pharmakologische Blockade des 5-HT7-Rezeptors durch JNJ-18038683 sowohl die nichtphotischen als auch die photischen Phasenverschiebungen der Aktivität des zirkadianen Rades bei Mäusen verkümmert. Diese Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung des 5-HT7-Rezeptors bei der Modulation der circadianen Rhythmen. Aufgrund der gegenläufigen modulierenden Effekte des Lichtrücksetzens zwischen tages - und nächtlichen Spezies kann eine Pharmakotherapie, die auf den 5-HT7-Rezeptor in Verbindung mit einer hellen Lichttherapie abzielt, therapeutisch vorteilhaft sein, indem sie die Desynchronisation der internen Rhythmen, die bei depressiven Individuen beobachtet werden, korrigiert. Volltext-Artikel Jan 2015Die meisten Organismen, einschließlich der Menschen, zeigen tägliche physiologische und Verhaltensrhythmen. Fast alle Körperfunktionen zeigen signifikante tägliche Variationen, einschließlich Aktivität, Erregung, psychophysische Leistungsfähigkeit, Verbrauch von Nahrung und Wasser, Lebermetabolismus, Urinvolumen und pH-Wert, Blutdruck, Herzfrequenz, Säuresekretion im Magen-Darm-Trakt und Cortisolsekretion (11, 46) , 55). Es ist überraschender, eine Variable zu finden, die durch die Zeit statisch ist, als eine, die einen täglichen Rhythmus zeigt. Diese zeitliche Variation spielt offensichtlich eine wichtige Rolle in den bodys homöostatischen Mechanismen und hat einen signifikanten Einfluss auf die Funktion spezifischer physiologischer Systeme, einschließlich des Nervensystems. In vielen Fällen werden diese Rhythmen durch endogene Prozesse, die als zirkadiane Oszillatoren bezeichnet werden, erzeugt, die vermutlich funktionieren, biologische Prozesse mit zeitlichen Veränderungen in der Umwelt zu synchronisieren und die zeitliche Koordination von physiologischen Systemen zu ermöglichen. Der Begriff Circadian stammt aus lateinischen Wurzeln: circa (ungefähr) und stirbt (Tag). Ein circadianer Rhythmus ist ein endogener Rhythmus, der sich mit einer Periode von etwa 24 Stunden wiederholt. Weil diese Rhythmen aus dem Inneren eines Organismus erzeugt werden, besteht ein grundlegendes Merkmal zirkadianer Schwingungen darin, dass sie persistieren, wenn sie aus Umgebungszeit-Cues isoliert werden. Da jedoch die Periode dieser Rhythmen nicht exakt 24 Stunden beträgt, werden die Oszillationen in Bezug auf jede 24-Stunden-Zeit driften und als Freilauf bezeichnet. Die Freilaufzeit eines Organismus ist unter genetischer Kontrolle und wird für Generationen in Abwesenheit von Umgebungszeit-Cues bestehen bleiben. Eine Manifestation davon ist, dass Mutationen isoliert werden können, die die Rhythmusperiode verändern. In Drosophila haben Forscher erfolgreich einen molekulargenetischen Ansatz verwendet, um mehrere Aspekte des fly circadianen Systems zu erforschen (32, 80). Zwei Gene wurden identifiziert: Periode und Zeitlosigkeit. Die integraler Bestandteil der Generation der zirkadianen Rhythmen in Drosophila sind. Zum Beispiel erzeugen Mutationen im Perioden-Gen Phänotypen, die rhythmisch oder ausdrücklich veränderte Perioden sind. Vor kurzem wurden auch zwei einzelne Genmutationen, die die Periode verändern, bei Säugetieren isoliert (74, 100). Hoffentlich, in der Zukunft, können solche Mutationen verwendet werden, um die genetische Basis der Säugetier zirkadianen Systemen zu erforschen. Um adaptiv als Zeitsicherungssysteme funktionieren zu können, müssen zirkadiane Oszillatoren im Hinblick auf Umweltstörungen präzise und stabil sein. Im allgemeinen scheinen sie diese Bedingungen zu erfüllen. Beispielsweise weist bei der Maus (Mus musculus) der circadiane Oszillator, der die Radlaufaktivität antreibt, eine Standardabweichung von etwa 0,6 oder knapp neun Minuten pro 24-Stunden-Zyklus (72) auf. Temperaturänderungen müssen eine der größten Herausforderungen für diese Homöostase darstellen, da sich die Raten der meisten biochemischen Prozesse bei jeder Temperaturänderung (Q 10 23) um das 2- bis 3-fache ändern. Da selbst homöothermische Säugetiere tägliche Oszillationen bei der Körpertemperatur im Bereich von 20 ° C durchlaufen, könnte ein circadianer Oszillator mit einem Q 10 23 Übergangszeitänderungen von mehreren Stunden aufweisen. Dies ist offensichtlich für ein Zeitsteuersystem nicht akzeptabel, und die Periode der zirkadianen Oszillatoren zeigt typischerweise ein Q & sub1; & sub0; von nahezu 1. Diese Temperaturkompensation der Periode scheint ein universelles Merkmal von zirkadianen Systemen zu sein, obwohl wenig über die zuständigen Mechanismen bekannt ist. Dies ist nur ein Beispiel für die Arten der homöostatischen Mechanismen, die sich entwickeln mussten, um es biologischen Oszillatoren zu ermöglichen, eine genaue Zeit zu halten. Dennoch ist die Periode eines circadianen Oszillators keine Konstante und kann sowohl durch äußere als auch innere Einflüsse wie Veränderungen der photischen Umgebung, des hormonellen Milieus und sogar des Alters eines Organismus moduliert werden. Tatsächlich sind einige dieser Änderungen wesentlich, wenn der Oszillator mit der Umgebung synchronisiert werden soll. Circadian-Oszillatoren erzeugen einen Rhythmus, der mit einer Frequenz von nahe, aber nicht gleich 24 Stunden wiederholt wird. Um adaptiv zu funktionieren, müssen diese Oszillatoren mit dem exakten 24-Stunden-Zyklus der physikalischen Welt synchronisiert werden. Schließlich gibt es einen begrenzten Nutzen darin, ein Zeitsteuerungssystem zu haben, das nicht auf die Ortszeit zurückgesetzt werden kann. Dieser Vorgang der Synchronisation wird als Mitreißen bezeichnet. Empirisch muss die Phase (F) des Oszillators so eingestellt werden, dass die endogene Periode des Oszillators (tau, t) der 24-Stunden-Periode (T) der physischen Welt entspricht. Mathematisch kann dies bei t-T DF ausgedrückt werden. So für einen Primaten mit einem t von 25 Stunden, um zu einem T von 24 Stunden zu ziehen, muss der Oszillator Phase um 1 Stunde pro Tag fortgeschritten sein. Die formalen Eigenschaften von Entrainment und circadianen Oszillatoren sind im allgemeinen Gegenstand einer eleganten Analyse von Pittendrigh und Kollegen (71). Der tägliche Zyklus von Licht und Dunkel, der durch lichtinduzierte Phasenfortschritte und Verzögerungen des endogenen Rhythmus wirkt, ist das dominierende Stichwort, das von Organismen, einschließlich Menschen, verwendet wird, um ihre circadianen Oszillatoren mit der Umgebung zu synchronisieren. Dies ist wahrscheinlich, weil die Morgendämmerung und die Dämmerung die zuverlässigsten und lärmfreien Indikatoren der Zeit sind, die den Organismen in den meisten Lebensräumen zur Verfügung stehen. Aber Organismen haben die Fähigkeit, viele andere Stichwörter für das Mitnehmen einzusetzen, einschließlich sozialer Faktoren, Temperaturzyklen, Nahrungsmittelverfügbarkeit. Ein Hauptziel der zirkadianen Rhythmenforschung ist es, die Mechanismen zu verstehen, mit denen Licht und andere Signale dazu dienen, zirkadiane Oszillatoren zu synchronisieren. Kurz, die zirkadianen Rhythmen zeigen einige grundlegende Merkmale: 1) sie sind endogen erzeugte Schwingungen, die sich mit einer Frequenz von nahezu 24 Stunden wiederholen, 2) sie weisen eine Homöostase der Periode einschließlich der Temperaturkompensation auf, 3) sie werden durch periodische Umweltsignale synchronisiert, Wobei der tägliche Hell-Dunkel-Zyklus das dominierende Stichwort ist. Offensichtlich sind nicht alle Tagesrhythmen circadian, und das Finden eines Tagesnachtdifferenz in einem physiologischen oder Verhaltensparameter ist nicht ausreichend, um zu behaupten, dass der Parameter einen circadianen Rhythmus zeigt. Tägliche Rhythmen, die exogen angetrieben werden, verschwinden, wenn ein Organismus unter konstanten Bedingungen platziert wird und die exogene Tagesvariable entfernt wird. Im Gegensatz dazu wird ein circadianer Rhythmus mit einer nahezu 24-Stunden-Periode für mindestens mehrere Zyklen unter konstanten äußeren Bedingungen fortgesetzt. Die Phase eines circadianen Rhythmus kann auch mit der Phase des Hell-Dunkel-Zyklus synchronisiert werden, der sie ausgesetzt ist. Säugetiere haben einen Satz anatomisch diskreter Zellpopulationen entwickelt, die als ein physiologisches System dienen, um eine zeitliche Organisation auf einer circadianen Zeitskala bereitzustellen. Diese Strukturen werden allgemein als ein circadianes System bezeichnet (1). Im einfachsten Fall kann ein zirkadianes System mit drei Komponenten modelliert werden: 1) einem Oszillator oder Taktgeber, der für die Erzeugung des täglichen Rhythmus verantwortlich ist, 2) Eingabewege, durch die die Umgebung und andere Komponenten des Nervensystems Information an die Oszillator und 3) Ausgangswege, durch die der Oszillator zeitliche Information für einen weiten Bereich von physiologischen und Verhaltens-Kontrollzentren liefert. Obwohl das Vorhandensein von Rückkopplungsschleifen zwischen diesen Komponenten diese Trennungen etwas willkürlich machen kann, stellen sie doch einen guten Ausgangspunkt für die Diskussion dar. Im weiteren Teil dieses Kapitels werden wir jede dieser Komponenten nacheinander behandeln und auch einige der medizinischen Implikationen von Menschen mit einem zirkadianen Timing-System kurz erörtern. Angesichts des Ziels dieses Buches wird sich die Diskussion auf Säugetiere und neurochemische Mechanismen konzentrieren. Angesichts Raumbeschränkungen konnten viele hervorragende und relevante Referenzen nicht berücksichtigt werden. DAS MAMMALISCHE ZIRKADISCHE OSZILLATOR: DER SUPRACHIASMATISCHE NUCLEUS (SCN) Lokalisierung eines Oszillators: Das SCN Eines der Hauptziele der neurowissenschaftlichen Forschung ist es, die anatomischen Substrate spezifischer Verhaltensregelsysteme zu identifizieren. Dies hat sich in vielen Fällen als frustrierend erwiesen. Eine der Erfolgsgeschichten in diesem Bereich war die Lokalisierung der meisten zirkadianen Timing-Funktion zu einem bilateral gepaarten Kern im Säugetier-Hypothalamus des suprachiasmatischen Kerns oder SCN (Abbildung 2). Aus diesem Grund lohnt es sich, den Nachweis zu erbringen, dass diese heterogene Population von Zellen der Ort der biologischen Uhr des Säugers ist. Erste Studien verwendeten Läsionen, um die Hypothese, dass diskrete Teile des Nervensystems als biologische Uhr in Säugetieren fungieren können. Aus diesen Studien kamen Forscher zu dem Schluss, dass ein circadianer Oszillator irgendwo im ventralen Hypothalamus lokalisiert war. Nicht viel mehr Fortschritte wurden bis in die frühen 1970er Jahre gemacht, als neue neuroanatomische Werkzeuge auf das Problem angewendet wurden. Da Läsionsstudien nahelegten, dass ein circadianer Oszillator im Hypothalamus lokalisiert ist und Lichtinformationen aus der Netzhaut diesen Oszillator erreichen müssen, war es ein logischer Ansatz, anatomische Wege zu suchen, mit denen Lichtinformationen von der Netzhaut zum Hypothalamus transportiert werden konnten. Diese Strategie führte zum Nachweis eines direkten Retinohypothalamus (RHT). Die Hypothalamus-Stelle, in der diese Fasern abgebrochen wurden, war die SCN-Ablation des SCN, wurde schnell gezeigt, um circadiane Rhythmen abzuschaffen (61, 92). Natürlich gab es unter anderen Interpretationsproblemen, die den Läsionsstudien gemeinsam waren, die Möglichkeit, dass die SCN-Läsionen den Ausdruck nur blockieren könnten, aber nicht die Erzeugung des rhythmischen Verhaltens. Nichtsdestoweniger waren diese Studien die ersten, die das SCN als einen zirkadianen Oszillator verwickeln. Wenn das SCN die Stelle eines circadianen Oszillators war, dann sollten diese Strukturen in vivo Oszillationen zeigen. Eines der ersten Beweisstücke der endogenen Rhythmizität kam aus Studien, die den Zellmetabolismus mit 2-Desoxy-D-glucose (2DG, 84) untersuchten. Die Zellen des SCN zeigten prominent zirkadian Variation in ihrer metabolischen Aktivität Glukose Auslastung gipfelte während des Tages, als die nächtlichen Nager in Ruhe waren und fiel auf ein Minimum während der Nacht, als die Tiere aktiv waren. Ein Grund für diesen metabolischen Rhythmus kann sein, dass SCN-Zellen auch einen ähnlichen Rhythmus bei spontaner neuraler Aktivität zeigen. Aber in vivo ist dieser Rhythmus nicht auf den SCN beschränkt und kann in anderen Regionen des Zentralnervensystems aufgezeichnet werden. Um die Rolle des SCN bei der Erzeugung dieser Rhythmen zu klären, haben Inouye und Kawamura (37) eine Serie von Messerschnitten um das SCN herum gebildet, um diese Strukturen von der neuralen aber nicht hormonellen Kommunikation zu isolieren. Danach setzte sich der elektrische Rhythmus in der Insel fort, die das SCN enthielt, aber nicht in anderen Regionen des Nervensystems. So scheint das SCN tatsächlich in der Lage zu sein, circadiane Oszillationen in einem Organismus zu erzeugen. SCN-Gewebe ist auch in der Lage, circadiane Oszillationen in vitro zu erzeugen, wenn sie vom Rest des Organismus isoliert werden. Erste Studien zeigten, dass der circadiane Rhythmus in der neuronalen Aktivität auch aus einer SCN-Hirnscheibenpräparation (30) aufgezeichnet werden konnte. Seit dieser Zeit haben viele Studien von dieser rhythmischen neuralen Aktivität Gebrauch gemacht, um die SCN-Funktion in vitro zu untersuchen. SCN-Gewebe sezerniert das Peptid Vasopressin auch rhythmisch (23). Gegenwärtig werden diese in vitro-Vorbereitungen verwendet, um grundlegende Fragen zu untersuchen, wie zirkadiane Oszillationen erzeugt werden. Die Ergebnisse dieser Experimente zeigen, dass der SCN ein Oszillator ist und dass, wenn der SCN zerstört oder funktionell von einem Organismus entfernt wird, viele der Verhaltensrhythmen verschwinden. Idealerweise möchte man zeigen, dass, wenn SCN-Gewebe wieder hergestellt wird, die Rhythmen wieder auftauchen würden. Aufgrund der Fortschritte in der Hirntransplantation Techniken ist dieses Experiment jetzt möglich. Es ist jetzt möglich, Rhythmen bei Tieren, die durch SCN-Läsionen arrhythmisch gemacht wurden, wiederherzustellen, indem das SCN eines anderen Tiers (45, 76) verpflanzt wird. Ferner ist es möglich, festzustellen, dass der Rhythmus durch das transplantierte SCN-Gewebe und nicht irgendeine trophische Wechselwirkung mit dem Wirtsgewebe erzeugt wird. Für diese Experimente wurde ein mutierter Hamster verwendet, der einen circadianen Rhythmus mit einer Periode zeigt, die wesentlich kürzer als die Normalthe der sogenannten tau-Mutante ist (74). Wenn SCN-Gewebe von tau-mutierten Tieren in SCN-lesionierte Wildtyp-Tiere transplantiert wurde, wurden Lokomotor-Aktivitätsrhythmen mit der kürzeren Periode des Spendergewebes wiederhergestellt. Umgekehrt zeigen die wiederhergestellten Rhythmen die normale Periode der Spendertiere (76), wenn SCN-Gewebe von Wildtyp-Hamstern in SCN-läsionierte Tau-Mutantentiere transplantiert wurde. Diese Experimente lieferten zwingenden Beweis, dass der SCN der zirkadiane Oszillator bei Nagetieren war. Ist die zirkadiane Funktion ausschließlich auf den SCN lokalisiert, oder haben andere Regionen auch diese Kapazität? Einige Studien haben die Möglichkeit anderer zirkadianer Oszillatoren hervorgehoben. Beispielsweise können in SCN-vermittelten Tieren (57) lebensmittelverzehrbare und methamphetamininduzierte circadiane Oszillationen beobachtet werden. In vielerlei Hinsicht wäre das Vorhandensein mehrerer zirkadianer Oszillatoren nicht überraschend. In den meisten Wirbeltierarten wurden endogene circadiane Oszillatoren auf drei Strukturen lokalisiert: dem SCN, der Zirbeldrüse und der Netzhaut. Bis vor kurzem schienen Säugetiere eine Ausnahme von dieser Regel zu sein, wobei eine solche Hauptkomponente der zirkadianen Funktion im SCN lokalisiert war. Die jüngste Arbeit von Tosini und Menaker (94) lieferte jedoch einen besonders deutlichen Beweis, dass auch in Säugetieren zirkadiane Oszillatoren außerhalb des SCN-Gebietes vorhanden sind. In dieser Studie wurde eine Hamster-Retina bei Raumtemperatur gezüchtet, und die Sekretion von Melatonin wurde gemessen. Non-Säugetiere Retinas zeigen tägliche Rhythmen in vielen Variablen, einschließlich der Melatonin-Sekretion, so war es nicht unvernünftig, nach Rhythmen in Melatonin-Produktion zu suchen. Tatsächlich produzierte die Hamster-Retina Melatonin rhythmisch, mit hohen Niveaus in der Nacht und niedrigem Niveau während des Tages. Ein Hell-Dunkel-Zyklus kann diesen Rhythmus in der Kultur synchronisieren, so dass die exzidierte Retina sogar einen intakten Lichteintrittsweg hat. Diese Beobachtungen zeigten, dass ein anderer circadianer Oszillator unabhängig vom SCN existiert und die Retina als weiteres Modellsystem einführt, um die zirkadiane Funktion bei Säugetieren zu erforschen. Es handelt sich um eine dichte Ansammlung kleiner Neuronen, die dorsal zum Optikchiasma und lateral zum dritten Ventrikel liegen (Abb. 3). Wie zuvor beschrieben, zeigen diese Zellen circadiane Rhythmen in elektrischer Aktivität, Glucoseverwertung und Sekretion. Eine der ersten Fragen, die angegangen werden müssen, ist, ob diese Zellen den Rhythmus durch einen intrazellulären oder einen Netzwerkprozess erzeugen. Die Antwort ist noch nicht bekannt, aber mindestens drei Zeilen deuten darauf hin, dass synaptische Wechselwirkungen für die Generierung des Tagesrhythmus nicht wichtig sind. Zuerst blockierte die lokale Injektion von Tetrodotoxin (TTX) in die SCN-Region in vivo die Expression und photische Regulation eines zirkadianen Rhythmus im Trinkverhalten (86). TTX blockiert spannungsempfindliche Natriumkanäle und synaptische Kommunikation im neuronalen Gewebe. Als diese Behandlungen jedoch enden, setzten sich die Rhythmen von einer Phase fort, die nahelegte, dass der SCN-Oszillator durch die experimentelle Manipulation ungestört war. Ähnliche Ergebnisse wurden mit in vitro SCN-Präparationen erhalten: Die Expression von zirkadianen Sekretionsrhythmen und spontaner neuraler Aktivität wurde durch TTX blockiert, der Oszillator selbst schien jedoch nicht betroffen zu sein (22, 103). Darüber hinaus erzeugen die Zellen des SCN bei der Entwicklung des Zellkerns (84) vor der Bildung der Mehrheit der Synapsen Rhythmen bei der Glucoseverwertung. Schließlich behalten disassoziierte SCN-Zellen in Kultur die Fähigkeit, circadiane Oszillationen (68, 90, 103) zu erzeugen. Unter diesen Bedingungen zeigten einzelne SCN-Zellen zirkadiane Schwingungen bei spontaner neuronaler Aktivität, die phasenverschoben zueinander driften, als wenn jede Zelle einen unabhängigen Oszillator (103) enthält. Die einfachste Interpretation dieser kollektiven Daten ist, dass synaptische Wechselwirkungen für die Ein - und Ausgänge des SCN-Oszillators wichtig sind, aber nicht für die Erzeugung des zirkadianen Rhythmus selbst verantwortlich sind. Allerdings muss die Lösung dieses Problems die Demonstration erwarten, dass einzelne, isolierte SCN-Zellen die Fähigkeit behalten, circadiane Oszillationen zu erzeugen. Das zirkadiane System der Säugetiere entwickelte sich nicht unabhängig. Vergleichende Beweise stimmen auch mit der Möglichkeit überein, dass die Erzeugung von zirkadianen Oszillationen eher ein intrazellulärer als ein Netzwerkprozess ist. Zweifellos zeigen einzelne zelluläre Organismen (z. B. die Dinoflagellat-Gonyaulax-Polyeder) und Cyanobakterien circadiane Oszillationen, so daß diese Rhythmen intrazellulär eindeutig erzeugt werden können. Weitere Unterstützung kommt aus Studien der marinen Mollusk Bulla gouldiana. Die Augen dieses Organismus enthalten einen Oszillator, der einen circadianen Rhythmus von spontanen zusammengesetzten Aktionspotentialen im Sehnerv antreibt. Eine Population von elektrisch gekoppelten Zellen, die als basale Retinalneuronen (BRNs) bekannt sind, ist verantwortlich für die Erzeugung dieses Rhythmus durch einen täglichen Zyklus in ihrem Membranpotential. Isolierte BRNs in der Kultur zeigen weiterhin einen circadianen Rhythmus in der Membranleitfähigkeit (54), was beweist, dass einzelne Zellen in Kultur die Fähigkeit behalten, eine circadiane Oszillation zu erzeugen. Unabhängig davon, ob einzelne Zellen im SCN kompetente zirkadiane Oszillatoren sind, ist es offensichtlich wichtig zu verstehen, wie diese Zellen kommunizieren und miteinander synchronisiert bleiben. Das aktuelle Wissen über die Zell-zu-Zell-Kommunikation im SCN ist Gegenstand einer kürzlich erschienenen Übersicht (98) und wird hier nur kurz diskutiert. Intrinsische Transmitter: GABA und Peptide Beweise legen nahe, dass die Aminosäure G-Aminobuttersäure (GABA) der wichtigste Transmitter ist, der von SCN-Neuronen verwendet wird. GABA wird in mindestens der Hälfte aller präsynaptischen Terminals im SCN (18) gefunden, und GABA und sein synthetisches Enzym finden sich in den meisten SCN-Zellkörpern (63). Darüber hinaus haben elektrophysiologische Studien spontane und elektrisch evozierte inhibitorische postsynaptische Potentiale im SCN aufgezeichnet, die GABA-vermittelt sind (43). Die Verabreichung von GABA-Agonisten verursacht Phasenverschiebungen von Verhaltensrhythmen während des Tages und verändert die photonische Regulierung des zirkadianen Systems während der Nacht (75, 95). In erwachsenem Gewebe ist GABA typischerweise ein inhibitorischer Transmitter, und die meisten SCN-Neuronen senden Projektionen an andere Zellen in dem SCN, so dass das typische SCN-Neuron am besten als ein inhibitorisches Interneuron gedacht werden kann. Ultrastrukturelle Studien unterstützen die Unterteilung der Ratte SCN in drei Populationen: eine kleine rostrale Fläche mit kaudalen, dorsomedialen und ventrolateralen Unterteilungen. Viele der Zellen in den SCN-Expresspeptiden und Unterschiede in der Peptid-Expression können als Grundlage für die Segregation von SCN-Zellen dienen (58, 97). Insbesondere wird zwischen Zellen, die Vasopressin (VA) exprimieren, die im rostralen und dorsomedialen Bereich gefunden wird, und jenen, die vasoaktives intestinales Peptid (VIP) exprimieren, die in den ventrolateralen Regionen des SCN (Fig. 4) gefunden wird, allgemein unterschieden. Retinal und andere afferenten Innervationen sind weitgehend auf die ventrolateralen Regionen beschränkt. So ist es in diesen Zellen, dass die Integration der Mehrheit der synaptischen Eingaben am ehesten stattfindet. Einige haben spekuliert, dass die VIP-immunreaktiven Zellen eine wichtige Rolle bei der Verarbeitung von fotografischem Eingang spielen können, während die VA-immunreaktiven Zellen für die Erzeugung von täglichen Rhythmen verantwortlich sein können. Jedoch können zirkadiane Rhythmen sowohl in der ventrolateralen als auch in der dorsomedialen Population von SCN-Neuronen (38) exprimiert werden, und an diesem Punkt sind die funktionellen Rollen, die von diesen verschiedenen Zelltypen gespielt werden, unklar. Darüber hinaus bleibt die Frage, ob diese anatomisch definierten Unterteilungen von Zellen auch elektrophysiologisch verschieden sind, noch zu beantworten. Zusätzlich zu VA und VIP werden eine Anzahl von anderen Peptiden und Wachstumsfaktoren in SCN-Neuronen exprimiert. Diese schließen gastrinfreisetzendes Peptid (GRP), das Peptid Histidinisoleucin, Somatostatin, Substanz P, Neurotensin und Nervenwachstumsfaktor ein. In vielen Fällen scheinen diese Peptide mit Aminosäure-Transmittern co-lokalisiert und funktionieren vermutlich als Signalmoleküle. Ein Peptid, das einige neue Aufmerksamkeit erhalten hat, ist GRP, das in Neuronen in der ventrolateralen Unterteilung des SCN exprimiert wird. Die Anwendung von GRP erregte viele SCN-Neuronen in vitro und kann Phasenverschiebungen des zirkadianen Systems in vivo bewirken (69). Aber die Frage, wie diese oder andere Peptidfunktionen in lokalen SCN-Schaltungen und die Rolle von Peptiden in der zirkadianen Funktion noch nicht gelöst sind. Die Rolle der Peptide im SCN wurde kürzlich untersucht (38). Das SCN mit seiner klar definierten zirkadianen Funktion und seinen Verhaltensausgaben ist ein ausgezeichneter Ort, um die Funktion von Peptid-Signalmolekülen zu erforschen. EINGANG ZUM SCN: WIE FUNKTIONIERT DIE UMWELTUNG DES ZIRKADISCHEN OSZILLATORS Ein Ansatz zum Verständnis zirkadianer Systeme ist es, die neurochemischen Schaltkreise zu untersuchen, durch die der SCN Informationen aus der Umgebung erhält. Neben der Behandlung von Problemen im Zusammenhang mit der sensorischen Physiologie zirkadischer Systeme könnte dieser Ansatz zur Identifikation von Komponenten des circadianen Oszillators führen. Durch systematische Verfolgung der Signaltransduktionskaskade, durch die die photonischen Informationen SCN-Neuronen erreichen und regulieren, sollte es möglich sein, Mechanismen zu identifizieren, die circadiane Oszillationen erzeugen. Eine Strategie, die weitgehend verwendet wurde, um diese Probleme anzugehen, ist eine systemebene Analyse der Effekte von photischen, pharmakologischen und genetischen Manipulationen auf Rhythmen, die durch das zirkadiane System angetrieben werden. Eine weitere Strategie besteht darin, die Auswirkungen solcher Manipulationen auf die zelluläremolekulare Aktivität von SCN-Neuronen zu untersuchen. Beide Strategien werden erfolgreich verwendet, um die SCN-Funktion zu erforschen (siehe aktuelle Übersichten in Lit. 38, 66, 95). Retinohypothalamischer Trakt (RHT) Die Anatomie des Lichteingangsweges zum SCN wurde kürzlich untersucht (Abb. 5, Ref. 66). Kurz gesagt werden bei Säugetieren die Effekte von Licht auf das SCN durch unbekannte Photorezeptoren, die sich in der Netzhaut befinden, vermittelt. Der primäre Weg für die Übertragung von photischen Informationen aus der Netzhaut zum Herzschrittmacher zum Mitnehmen ist die RHT. Das RHT umfasst eine deutliche Untergruppe von retinalen Ganglienzellaxonen, die sich von den anderen optischen Axonen am optischen Chiasma trennen, um das SCN zu innervieren. Die fotografischen Informationen, die neuronal zum SCN übertragen werden, sind sowohl notwendig als auch ausreichend für das Mitnehmen. Es gibt Hinweise darauf, dass das Aminosäure-Glutamat ein Sender an der RHTSCN-synaptischen Verbindung ist und dass dieser Sender eine entscheidende Rolle bei der Vermittlung der photonischen Regulation des zirkadianen Systems spielt (14). Anatomische Studien berichten, dass RHT-Terminals innervieren die SCN zeigen Glutamat-Immunreaktivität mit synaptischen Vesikeln assoziiert (8, 19) identifiziert. Eine Vielzahl von Glutamatrezeptoren wurde lokalisiert zum SCN durch in situ Hybridisierung und Immunozytochemie (28). Es gibt elektrophysiologische Hinweise darauf, dass exogene Applikation von GluR-Agonisten die SCN-Neuronen anregen (6, 87), und dass GluRs die im SCN (42) aufgezeichneten exzitatorischen post-synaptischen Potentiale vermitteln. Die Anwendung von GluR-Agonisten verursacht Phasenverschiebungen eines Rhythmus der neuronalen Aktivität, die von dem SCN in vitro aufgezeichnet wurden (20, 89). Schließlich blockieren GluR-Antagonisten die lichtinduzierten Phasenverschiebungen und die Fos-Induktion im SCN in vivo (2, 13). Trotz dieses starken Beweises, dass Glutamat ein Sender ist, der von der RHT freigegeben wird, gibt es viele unbeantwortete Fragen, wie die zirkadianen Oszillatoren im SCN auf diese glutamaterge Stimulation reagieren. Im einfachsten Fall verursacht Licht die Freisetzung von Glutamat, das eine Signal-Transduktions-Kaskade in SCN-Neuronen initiiert, was letztendlich zu einer Phasenverschiebung des zirkadianen Systems führt. Dieses Modell wird durch die Erkenntnisse gestärkt, dass GluR-Antagonisten lichtinduzierte Phasenverschiebungen in vivo verhindern. Und dass exogenes Glutamat Phasenverschiebungen in vitro verursachen kann. Problematischer ist die Feststellung, dass GluR-Agonisten, die in den SCN-Bereich injiziert wurden, keine lichtähnlichen Phasenverschiebungen verursachen (53). Natürlich gibt es viele mögliche Fallstricke bei der Interpretation dieser Art von Experiment. Zum Beispiel scheint es unwahrscheinlich, dass die Injektion von Glutamat in die SCN-Region würde die gleichen Zellen in der gleichen Weise wie die synaptische Aktivierung der RHT stimulieren. Trotzdem stellen derzeit verfügbare Daten eine einfache Interpretation der Verhaltensexperimente mit GluR-Antagonisten in Frage. Derzeit beweisen Verhaltensnachweise, dass GluR-Aktivierung notwendig ist, aber nicht ausreichend ist, um lichtähnliche Phasenverschiebungen zu erzeugen. More work is clearly needed to delineate the signal-transduction cascades by which glutamate acts in the SCN and to understand how these cascades influence the phase of the circadian system. Nitric Oxide (NO) One possible consequence of NMDA GluR activation is the stimulation of nitric oxide synthase (NOS). Several pieces of evidence raise the possibility of a role for NO in the light-input pathway to the SCN. First, anatomical studies show the presence of NOS in the SCN (3). Second, NO production has generally been linked to NMDA-induced cGMP production, and administration of cGMP produces phase shifts of the circadian rhythm of neuronal activity recorded from the SCN in vitro . (73). Finally, NOS inhibitors prevent NMDA-induced phase shifts of circadian rhythms both in vitro and in vivo (20). Changes in Gene Expression Although the signal transduction events occurring downstream from GluR activation in the SCN are not well understood, one important consequence of photic stimulation is the regulation of gene expression in the SCN (44). In many neurons, one consequence of GluR stimulation is activation of immediate-early genes, including c-fos. The proteins coded for by these genes, including Fos, appear to be generally involved in the transduction of extracellular signals to changes in gene expression andin some caseschanges in immediate-early gene expression can be used as a cellular marker of neuronal activation. Photic regulation of c-fos mRNA and Fos-like immunoreactivity (Fos-LI) in the SCN of rodents has been extensively demonstrated. These studies have shown that photic regulation of Fos in SCN neurons is correlated with light-induced phase shifts of the circadian system. For example, induction of c-fos mRNA by light in the hamster SCN shows the same phase dependence and intensity threshold as does phase shifting. The functional significance of light-induced Fos expression is still unclear. Light can still entrain the circadian system of mice lacking the c-fos gene, although a reduction was seen in the magnitude of light-induced phase shifts (35). In another study, the intraventricular administration of c-fos and jun-B antisense oligonucleotides decreased expression of these transcription factors and inhibited light-induced phase shifts (104). These results suggest that, while c-fos activation may contribute to the normal entrainment process, it is not absolutely required for photic regulation or generation of circadian rhythms. Fos induction has also been widely used as a cellular marker for light-responsive cells to address questions about how experimental manipulations alter photic input to the SCN. A number of studies have reported that both NMDA and AMPAKA GluR antagonists inhibit light induction of Fos expression in the SCN (2, 25). At least one study has also found that the intraventricular injection of NMDA induces Fos expression in the SCN (25). The effects of AMPAKA GluR agonists have not been examined. These pharmacological studies generally suggest a role for both NMDA and AMPAKA GluRs in mediating photic regulation of SCN neurons in vivo . The possibility of peptide co-transmitters within RHT terminals is specifically suggested by the presence of dense-core vesicles among the glutamate-containing synaptic vesicles (8). Two likely candidate co-transmitters are N-acetylaspartylglutamate (NAAG) and substance P (SP). Immunocytochemical localization of NAAG to many retinal ganglion cells and the SCN has been reported (58). Optic nerve transection decreased NAAG immunoreactivity in the SCNa finding consistent with the suggestion that NAAG is contained in terminal fields of the RHT. Although the functional role of NAAG is unclear, it can both directly activate GluRs and form glutamate by extracellular hydrolysis. One physiological study found that the iontophoretic application of NAAG increased the firing rate and potentiated glutamate-induced responses in SCN neurons in culture (6). There is also some evidence that SP may play a role as a retinal co-transmitter. Anatomical evidence for the presence of SP in the RHT has been found for a number of species, including humans (64). Application of SP in vitro increased 2DG uptake, excited a population of SCN neurons, induced Fos expression, and caused phase shifts of the circadian rhythm of electrical activity (88). More recently, an SP antagonist has been found to block light-induced Fos expression in vivo (1). It will be important to examine the effects of this inhibitor on light-induced phase shifts of the circadian system and to see if SP alters glutamate release from the RHT. To date, the results are all consistent with the possibility that this peptide is a co-transmitter at the RHTSCN synaptic connection. Geniculohypothalamic Tract (GHT) The retinal ganglion cells which innervate the SCN also project to a subdivision of the lateral geniculatethe intergeniculate leaflet (IGL Fig. 6 ref. 66). The IGL, in turn, has a population of neurons that project to the SCN through a geniculohypothalamic tract (GHT). The projection neurons that make up the GHT appear to contain neuropeptide Y (NPY) and GABA, and these transmitters may be co-localized. Both of these molecules exert effects on the circadian system. This pathway appears to be involved both in the processing of photic information and the mediation of the effects of some non-photic entraining stimuli. Cells in the IGL are known to be light-sensitive (33), and the GHT pathway may contribute to the processing of photic input. In many sensory neurons, NPY acts presynaptically to modulate transmitter release and may play a similar role in the regulation of RHT input to the SCN. Likewise, GABAB receptors may modulate light-induced phase shifts (75) and the release of glutamate by the RHT (40). IGL lesions are associated with relatively subtle changes in the circadian systems response to light, including changes in the magnitude of light-induced phase shifts, period changes, and slower adjustment to new light-dark cycles (66). However, many features of the circadian systems response to light are unaffected in IGL-lesioned animals, suggesting that this pathway is not essential for the major portion of photic regulation of the circadian system. But this pathway does appear to have an important role in mediating the effects of other non-photic stimuli. A number of experimental treatments produce phase shifts during the day but not during the night, including activity induced by novel stimuli (67) and benzodiazepines (95). These phase shifts are dependent upon an intact IGL lesions abolish both benzodiazepine (41) and activity-induced (67) phase shifts. The use of antibodies to reduce NPY binding also reduced activity-induced phase shifts (4). A similar pattern of phase shifts during the day was generated by NPY administration in vitro and in vivo through a mechanism which may be dependent on GABAergic transmission (36). Recent studies in cultured SCN cells suggest that NPY can act presynaptically to inhibit GABA-mediated synaptic transmission through inhibition of calcium currents (9). Thus, the GHT plays a critical role in mediating the effects of some non-photic stimuli on the circadian system. Other Neurotransmitter Systems The SCN receives a dense serotonergic projection from the midbrain raphe nuclei that terminates predominantly in the retinorecipient region of the nucleus (62). It is well established that 5-HT receptor agonists cause phase shifts of the SCN circadian oscillator when administered at times in the circadian cycle during which light does not cause phase shifts both in vitro (52) and in vivo (26). In addition, evidence suggests that this projection modulates photic input to the SCN. Neurotoxic destruction of the serotonergic input to the SCN alters the relationship between the light-dark cycle and locomotor activity, and increases in 5-HT levels alter the effects of light on the circadian system (65). Finally, 5-HT and 5-HT agonists inhibit optic nerve-induced field potentials in the SCN brain slice preparation, light-induced Fos expression and phase shifts of the circadian rhythm of wheel-running activity (78). Interestingly, 5-HT antagonists have been reported to enhance light-induced increases in the firing rates of SCN neurons (105) and light-induced phase shifts (77). These results raise the possibility that 5-HT may be involved in a tonic inhibition of the light-input pathway to the SCN. In addition, these studies are all consistent with the hypothesis that the serotonergic innervation of the SCN serves to modulate light-regulated glutaminergic input. Understanding this pathway is likely to be important in understanding the links between disruptions in circadian function and affective disorders (see later discussion). It has long been suggested that ACh plays a role in the light-input pathway. Fibers immunoreactive for choline acetyltransferase innervate the SCN (99), apparently from the cholinergic regions of the basal forebrain and brain stem (5). Furthermore, electrophysiological studies indicate that some SCN neurons are excited by cholinergic agents. In addition, administration of the ACh receptor agonist carbachol caused large phase shifts in SCN neuronal activity rhythms this response is mediated by muscarinic receptors perhaps of the M1 subtype (50). The intraventricular administration of carbachol caused phases shifts in vivo which can be blocked by GluR antagonists (12). This result raises the possibility that some of the behavioral effects of carbachol may be due to stimulation of glutamate release. So, while ACh does not appear to be a transmitter directly in the light input pathway, it may act to modulate photic information reaching the SCN. The SCN receives a prominent histaminergic innervation from the tuberomammillary nucleus. Based on anatomical considerations, the histaminergic transmitter system may represent a regulatory center capable of altering arousal throughout the nervous system. Depending on the subtype of receptor activated, HA can have excitatory (H1) or inhibitory (H2) actions on SCN neurons (49). Administration of HA can cause phase shifts of the in vitro neural activity rhythm and the in vivo locomotor activity rhythm (15). These results suggest that HA may be involved in modulation of light input to the circadian system but, at present, the functional significance of this regulation is unknown. The mammalian pineal gland secretes melatonin rhythmically under the neural control of the SCN (see discussion below). The SCN is also a target of this hormonal output, as the SCN has a high density of melatonin receptors (102). One consequence of activation of these receptors is the inhibition of neural activity, perhaps through the activation of potassium currents in SCN cells (40). Melatonin also caused phase shifts of the circadian rhythm of neuronal activity of SCN neurons in vitro (51). Behaviorally, administration of melatonin caused phase shifts of the locomotor activity rhythm during the day and may modulate the effects of light during the night (7). OUTPUT FROM THE SCN: HOW DOES THE OSCILLATOR IN THE SCN REGULATE OTHER PHYSIOLOGICAL AND BEHAVIORAL SYSTEMS Most of an organisms physiological and behavioral parameters show a daily rhythm. In many cases, these rhythms are driven from a circadian oscillator located in the SCN. Physiological or behavioral parameters which exhibit daily rhythmicity due to the activity of cells in the SCN are known as outputs of the circadian system. Metaphorically, these outputs are sometimes referred to as hands of the clock to distinguish them from the mechanisms responsible for the generation of the rhythms. It is not clear if this intellectual distinction will hold up experimentally. In general, outputs of the circadian system are rhythmic but not temperature compensated. Theoretically, if an output is held constant, this should not alter other rhythms driven from the SCN. A major problem in circadian rhythms research is to understand the mechanisms by which the circadian oscillator located in the SCN regulates such a wide range of physiological outputs. There is evidence for two types of signals originating from the SCN and conveying phase information: hormonal and neural outputs. Evidence for hormonal or some other diffusible signals comes from transplantation experiments (76). These studies have shown that rhythmicity can be restored to SCN-lesioned animals following implantation into the third ventricle of tissue containing the SCN. As previously discussed, these experiments provided compelling evidence that the SCN is a circadian oscillator in mammals. These studies also provide an important tool to look at the mechanisms by which SCN output alters other physiological systems. Several pieces of evidence suggest that a hormonaldiffusible factor produced by the SCN is an important output signal for the circadian system (91). First, some behavioral rhythms recover within four days after transplantation of the SCN, before much axonal outgrowth from the transplant is noted (45). In addition, some successful transplants can be placed in locations distant from the SCNhypothalamus (45). Third, transplantation of disassociated SCN cells can restore rhythmicity (90). The interpretational problem common to all of these studies is the difficulty in ruling out all neural outgrowth. Resolution of this problem may come from studies which place SCN grafts into a polymer capsule or into the anterior chamber of the eye such conditions allow humoral communication with the brain but prevent neurite outgrowth (76). Of course, interpretation of negative results from these type of experiments would be extremely difficult. One of the best studied examples of hormonal output from the SCN is the rhythmic secretion of the peptide VA. Peripherally, this peptide is secreted by the pituitary and functions as an antidiuretic hormone. Centrally, VA also acts as a signaling molecule and is highly expressed in a population of cells in the SCN. These cells drive a prominent daily rhythm in the levels of VA in the cerebrospinal fluid in mammals. If the SCN are lesioned, then VA levels are dramatically reduced and no rhythmicity can be detected (81). Furthermore, SCN cells express a circadian rhythm in VA mRNA in vivo (96) and SCN cells in vitro secrete VA rhythmically (23). Finally, if embryonic SCN tissue is transplanted from a normal rat into a VA-deficient Brattleboro rat, the rhythm in VA is restored (24). Since host animals can not make VA, the source must be donor tissue containing the SCN. The function of this rhythm in VA is currently unknown and is an interesting area for future work. Anatomical knowledge of the output pathways of the SCN has been reviewed by Watts (101). In short, axonal projections from SCN neurons terminate within the SCN, other hypothalamic regions, and a few regions outside the hypothalamus. The largest projection from the SCN goes to the subparaventricular region of the hypothalamus, a region with widespread connections throughout the limbic system. Most SCN neurons contain GABA ( 18. 63, 99 ), suggesting that the output is generally inhibitory. There is evidence that these neuronal pathways are functional and are involved in the communication of signals from the SCN to other parts of the nervous system. First, the local injection of TTX into the SCN region blocks the expression of a rhythm in drinking activity (86). Second, knife cuts around the SCN which cut efferent fibers block the expression of several rhythms (37, 92). Third, some transplants appear to be healthy, are in an appropriate position, and have cells expressing normal peptides, yet they do not restore rhythmicity. These data are all consistent with the idea that neural connections play an important role in driving overt rhythms. The interpretation problem common to all of these studies is that the experimental treatments might interrupt hormonal as well as neural output from the SCN. Among the rhythms under neural control of the SCN is the circadian synthesis and secretion of the pineal hormone melatonin. In mammals, the pineal gland is not directly light sensitive but is photically regulated through a complicated neuronal pathway involving the SCN. Melatonin is the hormone secreted by the pineal gland, and the SCN drives a daily rhythm in its secretion. Control relies on a multisynaptic pathway via the sympathetic nervous system to maintain and entrain the rhythmic synthesis and secretion of this hormone ( Fig. 7 ref. 60). The neural pathway from the SCN to the pineal passes first to the paraventricular nuclei (PVN). Ablation of either the SCN or PVN results in loss of the rhythm in pineal melatonin levels. Most SCN neurons contain GABA, an inhibitory neurotransmitter, and it is most likely that the excitation of SCN neurons inhibits neurons in the PVN. The PVN neurons project to the spinal cord and make synaptic connections with preganglionic cell bodies which, in turn, innervate the superior cervical ganglia of the sympathetic nervous system. Stimulation of the PVN increases sympathetic outflow through activation of cholinergic preganglionic sympathetic neurons. Sympathetic neurons release norepinephrine which drives a rhythm in pineal melatonin by increasing N-acetyltransferase activity. Disruption of the pathway from the SCN to the pineal gland at any level (destruction of the SCN itself, knife cuts of SCN afferents, or pharmacologic blockade of the sympathetic innervation) interrupts the circadian pattern in the synthesis and secretion of the hormone (60). SCN transplants do not appear to restore the melatonin-mediated photoperiodic response in hamsters (45). Clearly, this output of the circadian system is under neural control. There is evidence for both neuronal and hormonal outputs from the SCN. Signals could vary with the specific physiological system being regulated. For example, rhythmic secretion of melatonin could be under neural control while locomotor activity is under hormonal control. Alternatively, the signals could be redundant, with a specific physiological system receiving both neural and hormonal signals from the SCN. The issue of how cells in the SCN regulate other physiological systems is clearly an important area and requires further study. MEDICAL IMPLICATIONS OF THE CIRCADIAN SYSTEM Although the experimental studies described in this review were mostly performed in rodents, the general principles developed by this research are likely to apply to humans. Humans, like other organisms, exhibit daily rhythms in many physiological and behavioral parameters (11, 46, 55). Because of experimental difficulties in isolating humans from environmental influences, in many cases, it is not yet clear whether these rhythms are really circadian or instead are diurnal, i. e. driven by external cues. Nevertheless, it is clear that humans have an endogenous circadian timing system including the SCN and RHT. There is every reason to think that the SCN functions as a circadian oscillator in humans. First, humans suffering from dementia have problems with the timing of their sleepwake cycle this is correlated with loss of neurons in the SCN (56). Furthermore, patients with tumors or other types of damage to the hypothalamic area, including the SCN, exhibit disruptions in their daily rhythms (10, 85). Since the human SCN expresses many of the same neurochemical markers described in rodents (59), it seems likely that many of the neural pathways described in rodents will also be relevant for humans. In recent years, it has become clear that light is an important environmental signal for the synchronization of the human circadian system (16). This has led several groups to investigate the use of light for therapeutic manipulations of the human circadian system (93). With these observations also comes the recognition that, within the last 100 years, dramatic changes have occurred in the temporal environment to which humans are exposed. With the widespread use of artificial lights and airplanes, many people experience rapid changes in their light-dark cycle. These changes can disrupt our endogenous timing system. Let us next briefly consider a few aspects of the human circadian system: desynchronization caused by jet travel or shift work circadian variation in the effects of pharmacological agents the possible use of melatonin to manipulate the human circadian system and, finally, the possible link between the circadian system and affective disorders. While there are many other interesting aspects of the human circadian system, these topics at least provide an introduction as to how the circadian system impacts human biology. Desynchronization of the Circadian System In our modern world, increasing numbers of people move rapidly across time zones or work during the night. The result is a group of symptoms collectively known as jet lag. While there is a lot of variation in individual symptoms, many people experience disruption of sleep, gastrointestinal disturbances, decreased vigilance and attention span, and lack of energy. While most people have no difficulties tolerating an occasional case of jet lag, repeated shifts create greater problems. One recent report even suggested that jet lag of players may be a factor affecting the outcome of baseball games (79). More seriously, consider people whose jobs require constant changes of schedule (e. g. health care professionals, pilots, and other shift workers). While it is difficult to link shift work directly to demonstrable physical illnesses, commonly reported health consequences include stomach diseases, sleep disturbances, and fatigue (55, 93). Besides physical problems, these workers are unlikely to be performing optimally. Humans undergo daily oscillations in many cognitive and motor functions. Human performance is normally at a minimum between 3 and 5 AM (11, 55). Persons working during these hours are likely to be sleepy, inefficient, and accident-prone. Many factors contribute to jet lag, including fatigue and stress, which may be independent of the circadian system. But other symptoms are undoubtedly a direct result of the desynchronization of the circadian system. In general, circadian systems can be thought of as serving at least two different kinds of functions. One is to ensure that an organism is synchronized to the physical world. Another, less appreciated, function is to ensure that the various physiological systems inside the organism remain synchronized. Both of these functions are compromised under conditions of rapid travel between time zones or changes in the scheduling of work. For example, consider a person traveling from North America to Europe, which involves a shift of at least 8 time zones and may require up to a week for the body to resynchronize. In the meantime, the travelers performance minimum (3:00 to 5:00 AM, old time) will now be occurring at 11:00-13:00. In order to maximize synchronization to a new time zone or schedule, the best strategy appears to be to maximize exposure to entraining signalsespecially light and social cues. So, the best advice to speed adjustment to a new schedule is to be immediately active in the new daytime and to sleep during the new night, eat meals at local times, and spend the day out in well lit environs. But even after exposure to all of these new environmental signals, it will still take a few days to readjust, so it may just be best to simply recognize this and to allow some time for adjustment after shifting to a new schedule or time zone. Circadian Variation in Drug Effects Most physiological and behavioral parameters exhibit daily rhythms, so it is not surprising that drug effects both desired and undesired (i. e. toxicity) vary with the time of day. In one early observation of this phenomenon, the mortality of mice after an injection of E. coli endotoxin was 80 during the middle of their inactivitysleep time but below 20 in the middle of their activity time (31). This is not an isolated or unusual result, and the effects of many drugs are now known to vary depending on the time of day (46). This daily variation is not due to some mysterious process but rather can be mostly explained by two observations. First, temporal variation has been documented in the rates of absorption, metabolism, and excretion. These factors will all impact the concentration of drug that actually reaches the intended target. Second, many tissues and cells show temporal variations in their response to the drugs which do reach them. These observations form the basis of the hope that clinical outcomes can be improved by scheduling drug treatments for certain times of day. Daily variation in the time of symptom onset may be common in a number of diseases and medical emergencies. One extensively studied example is asthma, in which the majority of patients experience symptoms mainly at night (70). These patients have a daily rhythm of bronchial constriction with the greatest constriction seen between midnight and 8:00 A. M. Accordingly, this is the time when most respiratory failures occur. Understanding this type of rhythm can, at the very least, lead to improved monitoring at certain times of day as a preventive measure. In addition, drugs used for treatment of asthma are apparently more effective when given before bed than during other times of day (46). So, in this case, the normal pharmacologic goal of keeping drug concentrations constant through time appears to be less effective than allowing drug concentrations to fluctuate. Even in diseases in which the symptoms are not so obviously temporally patterned, there is still evidence for diurnal variation in drug effects. For example, most of the drugs used in chemotherapy are toxic to both host and malignant cells, so there is an unusually narrow window between therapeutic and toxic effects. There are good reasons to think that the timing of drug administration may be an important therapeutic variable. Data suggest that both the toxicity and therapeutic benefits of anticancer drugs vary with the daily cycle (27). If these rhythmic variations are out of phase with each other, then time of treatment may represent a variable which can be exploited to maximize the benefitcost ratio for the use of anticancer drugs. In one early study, mice were injected with leukemia cells and treated with DNA synthesis inhibitors (cyclophosphamide and 1-B-D-arabinofuranosylcytosine) at different times of day (83). Without treatment, most of the mice died during the 75-day trial. The number of animals that survived the tumor inoculation varied depending on the timing of cyclophosphamide administration. Treatment in the beginning of the inactivitysleep period led to a 40 survival rate the same treatment given at the beginning of the animals active period led to over 90 survival. Of course, there are many possible reasons that might account for these data, and the question of whether such scheduling strategies can actually improve clinical outcome for humans is one that still needs to be answered. But, it seems likely that varying drug doses over the course of the day could lead to much more effective treatment strategies. In humans, as in other mammals, melatonin is secreted by the pineal gland during the night but not during the day. This rhythm is due to both circadian regulation and acute light-induced suppression of melatonin secretion. Both mechanisms ensure that the secretion of melatonin fairly accurately follows the night. Thus, melatonin is referred to as a dark hormone. In many temperate-zone mammals, this nightly dark signal is intimately involved in the control of seasonal changes in physiology and behavior. Although there is little direct evidence that melatonin mediates seasonal changes in humans, the onset of melatonin secretion at night does appear to be a good marker for the phase of the human circadian system (47). The human SCN contains melatonin binding sites, and administration of melatonin (0.5 mg), by itself, caused phase shifts of the human circadian system: phase delays during late night and phase advances during the morning (47). In addition, melatonin can act as a sleep-inducing agent. In one study, a group of healthy adults were administered melatonin (1-10 mg) in the middle of the day. Melatonin induced sleep, lowered body temperature, and caused feelings of sleepiness and fatigue (21). On the basis of these results, it was proposed that melatonin might be used to help workers or travelers adjust to new schedules. There is some evidence that melatonin may be therapeutically useful in this regard. Several studies have reported that timed melatonin administration can help with re-adjusting the circadian system after jet-lag or shift work (17, 47 ). Moreover, in some insomnia patients, administration of melatonin improved the sleep quality or the phasing of sleep (29). Overall, our understanding of melatonins effects on human biology is still in its infancy. Much more work will have to be done before the possible therapeutic value of melatonin can be determined. Several observations suggest a link between disruptions in circadian function and affective disorders (34). Certainly, many patients suffering from depression exhibit disruptions in the timing of sleepwake cycles, cortisol levels, melatonin secretion and body temperature. Similarly, many treatments that have antidepressant effects (e. g. timed photic stimulation, sleep-deprivation, serotonin reuptake inhibitors) also alter circadian rhythms. Dysfunction in serotonergic pathways has been suggested to play a role in affective disorders, which are frequently treated with agents that alter serotonergic neurotransmission. The serotonergic projection from the raphe to the SCN (see previous discussion) may very well be the anatomical substrate by which affective disorders alter the human circadian system. Of course, it has been extremely difficult to establish more then a correlative link. Perhaps the best evidence comes from studies of seasonal affective disorder (SAD). SAD is characterized by recurrent cycles of fall-winter depression and spring-summer remission (82). The seasonal nature of the symptoms immediately suggests a role for the circadian system which, in many mammals, plays a central role in mediating seasonal changes in behavior and physiology. Furthermore, SAD has been successfully treated by timed exposure to bright light (48, 93). Overall, the exact role of the circadian system in affective disorders is still open to debate and remains an important area for future research. The finding that humans and other organisms have endogenous circadian timing systems raises a number of issues. What are the mechanisms by which light and other environmental stimuli synchronize these systems What are the mechanisms by which cells generate these oscillations How are these cells and cell populations integrated to form a coherent timing system How are these oscillators coupled to the various outputs they control What are the consequences for human biology, as well as the natural history of other organisms In this review, I have briefly described some of the current work in each of these areas. Some of the knowledge gained from addressing these issues may very well be unique to this physiological system. For example, the biochemical processes involved in the generation and temperature compensation of rhythms with a 24-hour time base are likely to be novel. Other questions involving sensory input to the circadian system, coupling between oscillators, and output from the circadian system are all basic issues of communication central to neuroscience research. In closing, I would like to argue that some features of the circadian system make it an excellent model system to address many core issues in the neurosciences. Many of the behavioral and physiological outputs of the circadian system are precise, quantifiable, and functionally important. This allows the productive use of both neuropharmacologic and genetic approaches. Anatomically discrete and well defined pathways control these behaviors. Finally, SCN neurons are amenable to detailed cellular and molecular analysis by all of the tools of modern neuroscience. For these reasons, I believe that the circadian system will be one of the first mammalian behavioral control systems to be understood at a variety of levelsfrom behavioral to molecular. I would like to thank Drs. E. Nansen and N. Wayne for reading an early draft of this chapter.
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