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美国科学家发现控制生物钟的机制

在白天神经元中高钠离子通道活性会开动细胞,最终唤醒动物;在夜间高钾离子通道活性会关闭细胞,使动物入睡。更好地理解这一机制能够有助于研发新药物解决与睡眠-觉醒问题有关的生物钟困扰。

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十五年前,一只奇怪的突变果蝇吸引了西北大学生理节律专家Ravi Allada博士的注意力和好奇心,因此引导着神经科学家在最近发现了动物的生物钟是如何做到在早上醒来,在晚间睡眠的原因。


生物钟机制被证明很像是一个光的开关。在对支配日常醒睡周期时间的大脑节律神经元的研究中,Allada和他的研究团队发现,在白天神经元中高钠离子通道活性会开动细胞,最终唤醒动物;在夜间高钾离子通道活性会关闭细胞,使动物入睡。


在进一步的调查中,研究人员惊奇地发现同样的睡眠-觉醒开关也出现在果蝇和小鼠中。


“这表明这个关键性机制控制我们的睡醒周期是古老的,” 温伯格文理学院神经生物学教授兼系主任,此项研究的资深作者Allada说到,“这种振荡机制似乎在几亿年的进化中保持守恒,而且如果存在于鼠中,很可能也存在于人类。”


更好地理解这一机制能够有助于研发新药物解决与睡眠-觉醒问题有关的生物钟困扰,比如飞行时差和轮班工作。最后也可能实现重置一个人的内部时钟,以适应他或她的情况。


研究人员称这是一个“自行车”机制:2个踏板,在1天24小时内上下,向神经元传递重要的时间信息。然而研究人员发现这两个踏板——钠通道和钾通道——既活跃在简单生物果蝇中也出现在复杂的生物老鼠中,这是出乎意料的。


这项研究的结果已发表在2015年8月13日的《细胞》杂志上。


“令人惊奇的发现是同样的控制睡眠-觉醒机制在昆虫和哺乳动物中是一样的,”该研究的主要作者Matthieu Flourakis说,“老鼠在夜间活动,而果蝇是在白天,但是它们的睡眠-觉醒周期是以同样的方式控制。”


当Flourakis加入Allada的团队时曾疑惑果蝇节律神经元的活动是否是随着一天中的时间而变化的,最后他发现了一个很强的规律性:神经元在早晨释放的多,而晚上非常小。


接下来,研究人员想要了解其中的原因,继而他们发现了,当钠流高时,神经元释放的多,会唤醒动物;当钾流高时,神经元会安静下来,导致动物睡眠。钠流和钾流之间的平衡控制着动物的周期节律。


之后Flourakis、Allada和他们的同事便想知道否这样一个过程会存在于和人类相近的动物身上。他们研究了老鼠大脑中控制昼夜节律的那块小区域——视交叉上核,由20000个神经元组成,发现了其中同样的机制。


Allada 说:“我们这个研究的出发点是缺失钠通道的突变果蝇,它行走困难且昼夜节律很差。虽然花了很长时间,但我们能够把基因组学、遗传学、行为学和神经元活动的电测量所有都包含在了这篇论文中,一个关于两个物种的研究。“


“现在当然我们有更多的问题,是什么在调节睡眠-觉醒的途径,因此我们还有更多的工作要做。”他说。


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