Nature子刊：神經元內的生物鐘如何調控神經興奮節律？

生物鐘遍佈於我們全身的每一個細胞，它根據24小時的光暗周期控制著的我們的生物節律，其中包括睡眠覺醒、體溫、免疫系統、情緒等等。

在哺乳動物的大腦中存在一個生物節律的起搏器，它位於下丘腦前部的視交叉上核（SCN），SCN內的42000個神經細胞通過內在分子信號的節律變化自發獨立地維持24小時生物鐘周期。但是，神經細胞是通過外部的電脈衝形成的神經衝動相互交流的。那麼這些內部的生物鐘分子信號是如何轉化為外部的放電活動的呢？

來自阿拉巴馬大學的研究人員首次發現了連接這兩個系統的關鍵機制，這項研究成果發表於近日的Nature Communications雜誌上。

研究人員發現，激活糖原合成酶激酶-3（GSK3）可通過調控持續性鈉電（INaP）導致神經元興奮。GSK3的這一作用引起了科學家們對其臨床應用的興趣，因為GSK3是鋰和其他通常用來治療雙向情感障礙等情緒穩定藥物的作用靶點。此外，研究人員還發現鈉通道也被GSK3調控，藥物利魯唑可以穩定電壓門控鈉通道的失活狀態，產生神經保護作用，常被用來治療ALS、Lou Gehrig氏症、焦慮障礙和抑鬱。因此，了解GSK3酶如何改變神經細胞興奮性或許可以為理解和治療情緒障礙提供新方法。

研究人員表示，GSK3是連接細胞內的分子變化與外部電流變化的橋樑。他們發現GSK3在細胞內的活性出現24小時周期性的變化。因此研究人員推測不同時間給予靶向作用於GSK3的藥物可能會產生不同效果。

研究通過抑制GSK3和鈉通道，以及在轉基因小鼠敲入GSK3，發現GSK3活性調控著SCN腦區神經細胞膜上的鈉離子流。鈉、鉀、鈣、氯等正離子或負離子在細胞膜上的流動是形成動作電位的關鍵。

不同於瞬時性鈉電流，持續性鈉電流是一種進程緩慢、微弱的電流，但是它的變化可能會使神經細胞更容產生動作電位從而將神經衝動傳遞給其他神經細胞。這種神經衝動就是大腦用來傳遞、接收或分析信息的信號。

到目前，SCN腦區中持續性鈉電流對神經放電的生物節律調控作用很大程度上被忽視了。這一研究首次證明，與黑夜相比，持續性鈉電流的幅度在白天更大。

研究人員將SCN的實驗結果嵌入數學模型中。利用模型預測和實驗確認GSK3激活的持續性鈉電流影響著動作電位時程後超極化電位，增強自發放電率而不影響靜息膜電位。這些研究結果證明了分子生物鐘與電活動的重要聯繫，為激酶調控電活動和神經網路的細胞內信號的傳播提供了一個範例。

參考資料：

How internal circadian clocks in neurons encode external daily rhythms of excitability

Regulation of persistent sodium currents by glycogen synthase kinase 3 encodes daily rhythms of neuronal excitability

TAG:生物探索 |

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