Нормальную реакцию мозга на ночной свет обеспечивает TRESK

В новой работе ученых из Великобритании показана связь между калиевыми каналами TRESK в нейронах и работой супрахиазматического ядра (СХЯ). Супрахиазматическое ядро — участок в передней области гипоталамуса, который синхронизирует внутренние циркадные (околосуточные) ритмы различных органов и систем органов, подстраиваясь под внешние световые сигналы. Нейроны СХЯ неактивны в течение ночи, активируются на рассвете, а затем продолжают генерировать потенциалы действия в медленном и стабильном темпе в течение всего дня. Что интересно, так обстоит дело и у дневных, и у ночных животных.

Днем мембрана нейронов СХЯ деполяризована, ночью — гиперполяризована. За гиперполяризацию, приглушающую ночную активность нейронов, отвечают ионные каналы, в том числе двухпоровые калиевые каналы. Однако не предполагалось, что в функциональной активности СХЯ играет важную роль TRESK — калиевый канал, регулируемый ионами кальция. Ранее было известно, что он участвует в восприятии сенсорных и болевых ощущений.

Авторы исследовали роль TRESK в работе СХЯ на мышах дикого типа (WT) и мышах с нокаутированным геном этого белка, ранее использовавшихся для исследования биологии боли. Для начала с помощью бета-галактозидазного окрашивания были выявлены регионы мозга мышей, в которых экспрессируется TRESK. Оказалось, что в число этих регионов входит СХЯ: экспрессия выявлена в большинстве его нейронов. При этом она начинала расти с наступлением темноты и спустя некоторое время достигала пиковых значений.

Исследование потенциала покоя отдельных клеток СХЯ показало, что у WT мышей они были более деполяризованными в дневное время, тогда как у нокаутных мышей одинаково деполяризованы и днем и ночью. Разница между дневной и ночной активностью нейронов также была выше у мышей дикого типа.

При этом, когда сравнили поведение WT и нокаутных мышей в условиях постоянной темноты или 12-часового светового дня с освещением 400 люкс, существенных различий в активности животных не обнаружили. Однако были найдены отличия, в частности, при реакции на включение света спустя два часа после начала темновой фазы. У WT мышей дневной цикл сдвигался тем сильнее, чем больше была интенсивность света, у нокаутных мышей эта зависимость была нарушена. Зрачки животных реагировали на свет нормально, так что авторы сделали вывод, что нарушение может быть связано с обработкой мозгом информации о свете.

Выяснилось, что у нокаутных животных также нарушен СХЯ ответ на глутамат, который выделяется из окончаний ретиногипоталамического пути, то есть фактически реакция СХЯ на световой стимул.

Наконец, авторы сравнили динамику кальция в клетках дикого типа и клетках с отсутствующим TRESK. В норме концентрация Ca ²⁺ растет в течение дня и снижается ночью, у нокаутных мышей ситуация обратная. В прямом эксперименте было показано, что TRESK предотвращает ночной приток кальция в клетку, вызванный глутаматом.

Для объяснения своих наблюдений ученые предложили следующую гипотезу. Глутамат может воздействовать на нейроны СХЯ при световом сигнале в ночное время, но также глутамат высвобождается из астроцитов в течение ночи. Активность рецепторов глутамата AMPA и NMDA приводит к деполяризации мембраны и притоку кальция в клетку. В норме это активирует TRESK, клетка реполяризуется и приток кальция прекращается. В отсутствие TRESK механизм отрицательной обратной связи нарушается, в клетке растет содержание кальция, она деполяризуется и генерирует потенциалы действия в повышенном темпе. Все это приводит к тому, что клетки без TRESK хуже реагируют на всплеск глутамата, который происходит в ответ на световой сигнал.

Роль каналов TRESK в реакции СХЯ на свет в темное время суток. Credit: Nature Communications, 2020. DOI:  10.1038/s41467-020-17978-9 |  CC 4.0

Таким образом, TRESK поддерживает СХЯ в состоянии, подходящем для изменений поведения, вызванных сменой освещенности в ночное время. В его отсутствие эта реакция притупляется. Понимание роли TRESK в регуляции циркадных ритмов пополнит список заболеваний, в которые вовлечены двухпоровые калиевые каналы, и поможет в поиске лечения, отмечают авторы.