Физиология появления ритмичности у крыс

Развитие циркадианных ритмов у позвоночных животных изучали главным образом на крысах, большей частью в условиях чередования света и темноты. У крыс, как и у человека, различные ритмы появляются в разном возрасте и проходят этап созревания. Они созревают примерно в такой последовательности:

1) ритмы, отражающие навязанный режим кормления, например ритм прибавления веса;

2) ритмы эпифиза и симпатической нервной системы;

3) эндокринные ритмы, находящиеся под контролем гипофиза;

4) ритмы произвольного поведения, например локомоции и потребления воды, а также показателей сна, связанных с корой мозга.

Эта последовательность не обязательно отражает моменты возникновения самих функций или полное созревание их ритмичности. Она может отражать общий ход развития регуляторных и адаптивных систем организма – от вегетативных до корковых и поведенческих. За многими из этих ритмов стоит один-единственный центральный циркадианный колебатель (находящийся в супрахиазменных ядрах гипоталамуса), разновременное появление различных ритмов должно быть результатом последовательного созревания необходимых проводящих путей или управляющих механизмов.

Развитие ритма эпифиза. Ритм эпифиза, его биохимические проявления и регуляция у взрослой крысы изучены достаточно подробно. Ритм активности эпифизарного фермента ацетилсеротонин-метилтрансферазы (АСМТ) контролируется следующим образом. Источник ритма находится в центральной нервной системе (в супрахиазменном ядре гипоталамуса) и оказывает влияние на эпифиз через симпатические пути, идущие от верхних шейных ганглиев. Стимуляция β-адренэргических рецепторов эпифиза норадреналином активирует систему аденилатциклазы, что приводит к повышению активности АСМТ. Захватывание ритма АСМТ происходит через сетчатку и далее через прямой ретиногипоталамический тракт к супрахиазменному ядру.

Развитие структур, участвующих в контроле активности АСМТ, приблизительно совпадает по времени с появлением ритма эпифиза, хотя их дальнейшее созревание может продолжаться еще долго. Ювайлер и др. высказали предположение, что, это связано с функциональным созреванием симпатической иннервации эпифиза: помимо усиления стимуляции в ночные часы, симпатические нервы обеспечивают базальный уровень поглощения норадреналина (поступающего с кровью из неизвестного источника), который до созревания иннервации хронически стимулировал активность АСМТ.

Если у крысы развитие ритма АСМТ отражает созревание нервных структур, то у цыплят дело обстоит иначе. Хотя у них роль симпатической иннервации эпифиза не вполне ясна, она все же иная, чем у крыс. Следует отметить, что если бы появление ритма в таком органе, как эпифиз, зависело только от взаимной синхронизации уже ритмичных компонентов (например, клеток), то происходило бы одновременно снижение нижнего уровня и повышение верхнего.

Поскольку у крысы ритм активности АСМТ появляется еще до полного морфологического созревания супрахиазменного ядра, завершение закладки синапсов в этом ядре несущественно для его участия в создании циркадианных ритмов.

Развитие ритмичности надпочечников. Подобно ритму активности АСМТ в эпифизе, ритм кортикостерона появляется в результате одновременного падения утренних значений и нарастания вечерних. Ритмичность в надпочечниках складывается значительно позже, чем в эпифизе.

Хотя развитие оси гипоталамус – гипофиз – надпочечники изучено довольно подробно, мы еще не знаем, какое физиологическое событие завершает процесс созревания, ведущий к появлению ритмичности. Информационные каналы этой оси (по крайней мере, те, которые действуют при стрессе) развиваются раньше, чем ритмичность. Кроме того, если ритмы эпифиза и надпочечников определяются одним и тем же нейронным колебателем (например, супрахиазменными ядрами), то развитие ритма надпочечников вряд ли лимитируется созреванием этого колебателя. Данные об онтогенезе ритма кортиколиберина наводят на мысль, что ритмичность в оси гипофиз – надпочечники зависит от созревания циркадианных осцилляторов, периферических по отношению к центральному колебателю.

Процесс развития ритмичности в этой оси весьма сложен, и на него могут влиять как внутренние, так и внешние факторы. Рэмели описал у крыс-самок изменения ритма кортикостерона, затрагивающие форму, амплитуду и фазу относительно цикла освещения. Эти изменения начинаются с момента появления ритма около 18-го дня и продолжаются до полового созревания. Кроме того, развитие ритмичности надпочечников может быть ускорено электрошоком или инъекциями тироксина в первые дни после рождения; его можно также подавить или замедлить, воздействуя на новорожденных кортикостероидами или АКТГ.

Хотя ритмы кортикостерона плазмы и кортиколиберина сразу после своего появления развиваются параллельно, в период полового созревания ритм кортиколиберина претерпевает изменение фазы, а ритм кортикостерона – нет. Это изменение фазы, так же как и увеличение амплитуды ритма кортикостерона, особенно выражено у крыс-самок, что приводит к стойким половым различиям. Возможная причинная связь между половым созреванием и ритмичностью надпочечников рассмотрена в работе Рэмели.

Изменение фазы, в процессе развития. Наряду с ритмом кортиколиберина и некоторые другие ритмы претерпевают разительные изменения фаз в ходе развития. Два из них, а именно ритмы тирозинаминотрансферазы в печени и прибавления в весе, примерно в конце периода вскармливания матерью совершают инверсию фазы на 180° из-за перемены режима питания. Ритмы серотонина и ацетилхолинэстеразы в мозгу проявляют если не инверсию, то по крайней мере значительный сдвиг фазы, но несколько позже, в связи с развитием ритма подвижности. Ни значение, ни механизмы этих изменений до сих пор не ясны; неизвестно, влияют ли они на другие процессы развития, и нет данных о каких-либо последствиях нарушения нормального хода событий.