Абстрактные модели внутренней организации циркадианной системы 


Мы поможем в написании ваших работ!



ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

Абстрактные модели внутренней организации циркадианной системы



Ашофф установил три альтернативные модели циркадианных часов. Каждая из этих моделей позволяет объяснить внутреннюю синхронизацию ритмов и известные нам формальные особенности взаимодействия между времязадателями и физиологическими ритмами.

Модель I, представляет собой совокупность связанных клеточных систем (А, В, С и т. д.), пассивно колеблющихся под воздействием одного автономного ведущего осциллятора. Когда эти клеточные системы обособлены друг от друга, приходится предполагать существование физических или химических посредников (а, b, си т. д.), изменяющих свою активность с тем же периодом, что и основные, но не обязательно с совпадением по фазе. Такие механизмы-посредники – предположительно нервные (высвобождение нейромедиаторов) или эндокринные (концентрация гормонов) – передают колебания ВР различным пассивно реагирующим клеточным системам. Циркадианная система в целом может захватываться внешними сигналами через экстероцептивные сенсорные пути к ведущему осциллятору.

Модель II описывает сеть клеточных систем, представляющих собой автономные осцилляторы, способные поддерживать колебания с независимыми периодами и без периодических входных сигналов. Один из осцилляторов (ВР) действует как ведущий колебатель и в свою очередь захватывается экстероцептивными сигналами, отражающими течение времени. Как и в модели I, здесь приходится предполагать наличие нервных или эндокринных посредников, поддерживающих внутреннюю синхронизацию. В этой модели, однако, посредники активно захватывают ритмы автономных клеточных осцилляторов, контролируя их фазу, как и при захватывании всей циркадианной системы организма, внешними световыми циклами.

Модель III тоже описывает многоосцилляторную систему, но здесь ни за одним из них не закреплена постоянно функция ведущего колебателя: через разные экстероцептивные входы могут захватываться разные осцилляторы. Внутреннюю синхронность поддерживают посредники (а, b, с и т.д.), обеспечивающие обратную связь к отдельным осцилляторам; как и в модели II, они синхронизируют осцилляторы путем активного захватывания.

Есть разные способы, позволяющие различать системы с одним (модель I) и с несколькими (модель II и III) осцилляторами. Судя по имеющимся данным, циркадианные часы – это, скорее всего многоосцилляторная система, особенно у человека и других приматов.

Внутренняя десинхронизация. Как уже говорилось, в норме циркадианные ритмы физиологических переменных, наблюдаемые у животного в одно и то же время, синхронизированы, так что все переменные изменяются с одинаковым периодом и сохраняют неизменные фазовые отношения между собой. Однако у высших организмов может иногда наблюдаться состояние, называемое внутренней десинхронизацией, когда отдельные переменные колеблются с независимыми периодами и поэтому фазовые отношения между ними все время изменяются. Подобная независимость колебаний у различных переменных несовместима с предположением об одном осцилляторе (модель I) и определенно говорит в пользу моделей II и III.

Первые данные о внутренней десинхронизации касались людей, изолированных от внешней информации о времени. Ашофф сообщил, что в их экспериментах примерно у 10% испытуемых наблюдался свободнотекущий циркадианный ритм покоя и активности с периодом, заметно отличавшимся от периода изменений температуры тела. Дальнейшие исследования показали, что внутреннюю десинхронизацию может также вызывать захватывание ритмов испытуемого времязадателем с периодом больше 26 ч, при этом ритм активности и покоя захватывается, а ритм температуры тела не синхронизируется с ним. Позднее Чейслер и его сотрудники установили, что у человека возможно также спонтанное нарушение синхронности между ритмом содержания кортизола в плазме и циклом сон – бодрствование.

Расщепление. Не только различные физиологические системы контролируются разными циркадианными осцилляторами, но даже в пределах одной физиологической системы может быть несколько осцилляторов. В ряде случаев, особенно когда внутренние или внешние показатели времени противоречивы или недостаточны, ритм может распадаться на несколько компонентов. Наиболее изученным примером служит так называемое расщепление: в форме колебаний Циркадианного ритма становятся хорошо заметны две или несколько состав­ляющих с независимыми свободнотекущими периодами. Часто они вновь синхронизируются, но уже в противофазе, отстоя друг от друга на 180°. Это явление впервые было описано при изучении ритмов активности и покоя у грызунов и по­лу обезьян. То же было обнаружено в ритмах температуры тела у летучих мышей. Часто к такому расщеплению приводят изменения интенсивности постоянного освещения, но сходное состояние можно наблюдать при повреждении нервных путей, важных для передачи информации о свете в циркадианную систему.

Механизм сопряжения осцилляторов. Поскольку циркадианные ритмы обычно синхронизированы не только с внешними времязадателями, но и между собой, в организме животного должны существовать пути передачи соответствующей информации. Наиболее очевидный механизм передачи информации о периоде и фазе – это ритмическая активность нервной и эндокринной систем. Колебания концентрации гормонов или нейромедиаторов в среде, где находится тот или иной осциллятор, могли бы контролировать его фазу способом, аналогичным захватыванию циркадианных осцилляторов световыми циклами.

Имеется много сообщений о ритмической активности нервной и эндокринной систем. Есть данные о циркадианных ритмах частоты импульсации нейронов, концентрации медиаторов – 5-гидрокситриптамина, норадреналина и дофамина, синаптической возбудимости. Получены также результаты, указывающие на передачу циркадианной информации по нервным путям от гипоталамуса к эпифизу, печени, другим гипоталамическим центрам и центрам ствола мозга.

Организация многоосцилляторной системы. Циркадианная система у высших животных состоит из множества потенциально независимых осцилляторов, находящихся в различных тканях тела, и что эти осцилляторы связаны друг с другом и сопряжены с внешней средой через посредство циркадианных ритмов в нервной и эндокринной системах.

Колебатели в циркадианной системе. Аналогия с организацией пейсмейкерной системы сердца ведет к предположению о существовании колебателя (водителя ритма), задающего период и фазу осцилляторам, входящим в систему. Такая организация представлена моделью II. В отличие от этого в модели III нет ни одного осциллятора, который постоянно выполнял бы роль водителя ритма циркадианной системы. Вместо этого имеется множество взаимодействий между циркадианными осцилляторами, совместно определяющими период и фазу колебаний.

В последние годы был найден кандидат на роль главного колебателя для циркадианной системы: им оказались супрахиазменные ядра гипоталамуса. Так как повреждение супрахиазменных ядер приводит к многообразным нарушениям циркадианных ритмов, первые исследователи высказали мысль, что именно эти ядра и выполняют функцию циркадианных часов. Это, однако, очень мало вероятно, так как множество данных указывает на многоосцилляторную природу системы, и дальнейшие более детальные исследования показали, что наблюдаемые ритмы могут не утрачиваться полностью, а просто распадаться на составляющие и что исчезнувшие ритмы иногда восстанавливаются спустя несколько недель. Служат ли супрахиазменные ядра истинным колебателем или просто играют роль узловой станции, связывающей ритмические функции друг с другом и с циклами света и темноты – это еще предстоит выяснить.

Различия в силе сопряжения с внешними времязадателями. Еще одно различие между моделями II и III – то, что в модели II главный колебатель снимает все противоречия в информации от различных внешних времязадателей, тогда как в модели III эти времязадатели прямо воздействуют на отдельные осцилляторы, так что ни один из них не получает всей информации о фазе и периоде изменений внешней среды.

Сравнивая силу сопряжения каждого из времязадателей с разнообразными ритмическими процессами у саймири, легко убедиться, что существует дифференциальная связь времязадателей с отдельными ритмами. Силу сопряжения можно оценить количественно по ряду критериев: 1) по быстроте восстановления синхронности после сдвига фазы времязадателя; 2) по временным границам (ширине окна) захватывания, в которых данный ритмический процесс еще будет следовать за периодом времязадателя; 3) по стабильности от цикла к циклу фазы (и формы профиля) данного ритма, захваченного данным времязадателем. Соответствующие исследования показали, что, например, циркадианный ритм температуры тела сильнее сцеплен с циклами СТ, чем с циклами кормления, а в случае ритма выделения калия с мочой имеет место обратное соотношение.

Чтобы сравнить силу сопряжения циркадианных осцилляторов друг с другом и тех же осцилляторов с времязадателями, создавали условия, в которых от циклов СТ и кормления поступала противоречивая информация о периоде и фазе. Рассматривались два случая: когда времязадатели имели одинаковый период, но различались по фазе, и когда периоды не совпадали. В обоих случаях ритм температуры тела оставался синхронным с циклом света и темноты, а ритм выделения калия – с циклом кормления. Эти данные показывают, что информация о периоде и фазе не анализируется полностью каждым отдельным осциллятором, как в модели II; скорее, различные времязадатели воздействуют на разные элементы циркадианной системы и поэтому в разной степени сопряжены с отдельными осцилляторами.

 



Поделиться:


Последнее изменение этой страницы: 2017-02-17; просмотров: 183; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы!

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 54.158.248.39 (0.022 с.)