在 11 月 30 日发表在eLife杂志上的一项新研究中，研究人员首次报告了昼夜节律生物钟神经元电活动的记录和建模——四条纹草鼠Rhabdomys pumilio。
到目前为止，对夜间物种的大脑记录研究主要用于形成对哺乳动物主生物钟的理解——位于大脑的下丘脑视交叉上核 (SCN)，其中近 20,000 个神经元通过电信号与明暗周期同步在我们的生理和行为中协调昼夜节律。
研究人员表示，这项研究朝着更精确地探索昼夜节律与人类健康之间的联系迈出了一大步，包括日间光照与生物钟相关睡眠障碍之间的关系。
该研究的共同通讯作者、数学生物学家凯西·迪克曼 (Casey Diekman) 说：“我们对大脑生物钟的了解几乎都来自对大鼠和小鼠等夜间活动的啮齿动物的研究，这使得将这些知识转化为人类昼夜节律变得复杂化。”新泽西理工学院。“这项工作是第一个描述昼行性哺乳动物 SCN 复杂电景观的工作，它强调了与夜间活动的动物的显着差异，这些差异可能对于使时钟神经元功能适应日间活动物种的特定生物学需求很重要。”
“我们发现昼夜活动的啮齿动物R. pumilio中 SCN 神经元活动的整体日/夜模式与之前在夜间活动的物种中观察到的模式相似，”该论文的共同第一作者 Beatriz Bano-Otalora 说。生物学家与曼彻斯特大学的罗伯特·卢卡斯和蒂莫西·布朗的实验室合作。“我们还发现了R. pumilio 的SCN 神经元行为的独特特征，这些特征以前从未在夜间物种中观察到过。”
研究小组发现，与夜间活动的啮齿动物一样，R. pumilio 的SCN 神经元在白天的自发放电率高于夜间。这种放电率的昼夜节律是 SCN 发送到大脑其他部分以传达一天中时间的主要信号。
“然而，当我们注入电流来抑制这些神经元时，一些细胞在抑制释放后恢复放电之前表现出明显的延迟，”该论文的共同通讯作者、埃克塞特大学的生物学家 Mino Belle 解释说。“这种延迟触发反应不存在于夜间啮齿动物的 SCN 中，并且可能会影响R. pumilio时钟神经元对它们从其他细胞接收到的输入的反应。”
为了了解更多信息，该团队将啮齿动物大脑记录的电压轨迹与新开发的数据同化算法相结合。他们建立了模拟产生动作电位的电压门控离子通道复杂相互作用的计算模型。模拟表明，特定离子通道(瞬态 A-钾通道)的电导率增加是延迟触发响应的原因。
“我们的模型指出这种钾通道的增强电导可能对昼夜物种有利，”该论文的共同第一作者、默克公司的博士后 Matthew Moye 说，他开始开发团队的数据同化算法作为博士 NJIT数学科学系学生。“清醒会导致对 SCN 的抑制性行为反馈信号，这在夜间活动的动物中有助于保持 SCN 在夜间的低发射率。在昼夜活动的动物中，这种夜间抑制性反馈不存在，因此可能需要增强 A 型电导来使 SCN 沉默在晚上并保持整体的白天/黑夜射击模式。”