El núcleo supraquiasmático o núcleos ( SCN ) es una pequeña región del cerebro en el hipotálamo , situada directamente encima del quiasma óptico . Es responsable de controlar los ritmos circadianos . Las actividades neuronales y hormonales que genera regulan muchas funciones corporales diferentes en un ciclo de 24 horas. El SCN de ratón contiene aproximadamente 20.000 neuronas . [1]
Núcleo supraquiasmático | |
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Detalles | |
Identificadores | |
latín | núcleo supraquiasmático |
Malla | D013493 |
NeuroNames | 384 |
Identificación de NeuroLex | birnlex_1325 |
TA98 | A14.1.08.911 |
TA2 | 5720 |
FMA | 67883 |
Términos anatómicos de la neuroanatomía [ editar en Wikidata ] |
El SCN interactúa con muchas otras regiones del cerebro. Contiene varios tipos de células y varios péptidos diferentes (incluida la vasopresina y el péptido intestinal vasoactivo ) y neurotransmisores .
Neuroanatomía
El SCN está situado en la parte anterior del hipotálamo inmediatamente dorsal , o superior (de ahí supra ) al quiasma óptico (CHO) bilateral a (a cada lado) del tercer ventrículo .
El núcleo se puede dividir en porciones ventrolateral y dorsolateral, también conocidas como núcleo y capa, respectivamente. Estas regiones difieren en su expresión de los genes del reloj, el núcleo los expresa en respuesta a estímulos, mientras que el caparazón los expresa de manera constitutiva.
En términos de las proyecciones, el núcleo recibe inervación a través de tres vías principales, el tracto retinohypothalamic , tracto geniculohypothalamic , y las proyecciones de algunos núcleos del rafe . El SCN dorsomedial está inervado principalmente por el núcleo y también por otras áreas hipotalámicas. Por último, su salida se dirige principalmente a la zona subparaventricular y al núcleo hipotalámico dorsomedial que median la influencia que ejerce el SCN sobre la regulación circadiana del cuerpo.
Efectos circadianos
Diferentes organismos, como bacterias, [2] plantas, hongos y animales, muestran ritmos de casi 24 horas con base genética. Aunque todos estos relojes parecen estar basados en un tipo similar de circuito de retroalimentación genética, se cree que los genes específicos involucrados han evolucionado de forma independiente en cada reino. Muchos aspectos del comportamiento y la fisiología de los mamíferos muestran un ritmo circadiano, incluido el sueño, la actividad física, el estado de alerta, los niveles hormonales, la temperatura corporal, la función inmunológica y la actividad digestiva. El SCN coordina estos ritmos a través de todo el cuerpo y la ritmicidad se pierde si se destruye el SCN. Por ejemplo, el tiempo total de sueño se mantiene en ratas con daño del SCN, pero la duración y el tiempo de los episodios de sueño se vuelven erráticos. El SCN mantiene el control en todo el cuerpo sincronizando "osciladores esclavos", que exhiben sus propios ritmos de casi 24 horas y controlan los fenómenos circadianos en el tejido local. [3]
El SCN recibe información de células ganglionares fotosensibles especializadas en la retina a través del tracto retinohipotalámico . Las neuronas del SCN ventrolateral (vlSCN) tienen la capacidad de expresión génica inducida por la luz. Las células ganglionares que contienen melanopsina en la retina tienen una conexión directa con el SCN ventrolateral a través del tracto retinohipotalámico. Cuando la retina recibe luz, el vlSCN transmite esta información a través del SCN permitiendo el arrastre , sincronización, de los ritmos diarios de la persona o del animal con el ciclo de 24 horas en la naturaleza. La importancia de atraer a los organismos, incluidos los humanos, a señales exógenas como el ciclo de luz / oscuridad, se refleja en varios trastornos del ritmo circadiano del sueño , en los que este proceso no funciona normalmente. [4]
Se cree que las neuronas del SCN dorsomedial (dmSCN) tienen un ritmo endógeno de 24 horas que puede persistir en una oscuridad constante (en los seres humanos un promedio de 24 horas 11 min). [5] Un mecanismo GABAérgico está involucrado en el acoplamiento de las regiones ventral y dorsal del SCN. [6]
El SCN envía información a otros núcleos hipotalámicos y a la glándula pineal para modular la temperatura corporal y la producción de hormonas como el cortisol y la melatonina . [ cita requerida ]
Ritmos circadianos de vertebrados endotérmicos (de sangre caliente) y ectotérmicos (de sangre fría)
La información sobre la regulación neuronal directa de los procesos metabólicos y los comportamientos controlados por el ritmo circadiano no se conoce bien entre los vertebrados endotérmicos o ectotérmicos , aunque se ha realizado una extensa investigación sobre el SCN en animales modelo como el ratón mamífero y los reptiles ectotérmicos, en particular, lagartos. Se sabe que el SCN está involucrado no solo en la fotorrecepción a través de la inervación del tracto retinohipotalámico, sino también en la termorregulación de vertebrados capaces de homeotermia , así como en la regulación de la locomoción y otras salidas conductuales del reloj circadiano dentro de los vertebrados ectotérmicos. [7] Las diferencias de comportamiento entre ambas clases de vertebrados, en comparación con las respectivas estructuras y propiedades del SCN y varios otros núcleos próximos al hipotálamo , proporcionan una idea de cómo estos comportamientos son la consecuencia de la diferente regulación circadiana. En última instancia, se deben realizar muchos estudios neuroetológicos para determinar por completo los roles directos e indirectos del SCN en los comportamientos regulados por el circadiano de los vertebrados.
El SCN de endotermos y ectotermos
En general, la temperatura externa no influye en el comportamiento endotérmico de los animales ni en el ritmo circadiano debido a la capacidad de estos animales para mantener constante la temperatura interna del cuerpo a través de la termorregulación homeostática; Sin embargo, los osciladores periféricos (ver Ritmo circadiano ) en mamíferos son sensibles a los pulsos de temperatura y experimentarán un restablecimiento de la fase del reloj circadiano y la expresión genética asociada, lo que sugiere cómo los osciladores circadianos periféricos pueden ser entidades separadas entre sí a pesar de tener un oscilador maestro dentro del SCN. . Además, cuando las neuronas individuales del SCN de un ratón se trataron con pulsos de calor, se observó un restablecimiento similar de los osciladores, pero cuando un SCN intacto se trató con el mismo tratamiento de pulso de calor, el SCN fue resistente al cambio de temperatura al exhibir un circadiano inalterado. fase oscilante. [7] En animales ectotérmicos, en particular el lagarto de ruinas Podacris sicula , se ha demostrado que la temperatura afecta los osciladores circadianos dentro del SCN. [8] Esto refleja una relación evolutiva potencial entre los vertebrados endotérmicos y ectotérmicos, en cómo los ectotermos dependen de la temperatura ambiental para afectar sus ritmos circadianos y su comportamiento y los endotermos tienen un SCN evolucionado para ignorar esencialmente la temperatura externa y utilizar la fotorrecepción como un medio para incorporar el ritmo circadiano. osciladores dentro de su SCN. Además, las diferencias del SCN entre vertebrados endotérmicos y ectotérmicos sugieren que la organización neuronal del SCN resistente a la temperatura en los endotermos es responsable de impulsar comportamientos termorreguladores en esos animales de manera diferente a los ectotermos, ya que dependen de la temperatura externa para participar en ciertos comportamientos.
Comportamientos controlados por el SCN de vertebrados
Se han realizado importantes investigaciones sobre los genes responsables del control del ritmo circadiano, en particular dentro del SCN. El conocimiento de la expresión génica de Clock ( Clk ) y Period2 ( Per2 ), dos de los muchos genes responsables de regular el ritmo circadiano dentro de las células individuales del SCN, ha permitido comprender mejor cómo la expresión genética influye en la regulación del ritmo circadiano. -comportamientos controlados. Los estudios sobre la termorregulación de los lagartos ruinosos y los ratones han informado de algunas conexiones entre los componentes neuronales y genéticos de ambos vertebrados cuando experimentan condiciones de hipotermia inducida. Ciertos hallazgos han reflejado cómo la evolución de SCN, tanto estructural como genéticamente, ha resultado en la participación de un comportamiento termorregulador característico y estereotipado en ambas clases de vertebrados.
- Ratones : Entre los vertebrados, se sabe que los mamíferos son endotermos que son capaces de termorregulación homeostática. Se ha demostrado que los ratones tienen cierta termosensibilidad dentro del SCN, aunque la regulación de la temperatura corporal por los ratones que experimentan hipotermia es más sensible a si se encuentran en un ambiente brillante u oscuro; Se ha demostrado que los ratones en condiciones de oscuridad y que experimentan hipotermia mantienen una temperatura corporal interna estable, incluso en ayunas. En condiciones de luz, los ratones mostraron una caída en la temperatura corporal en las mismas condiciones de ayuno e hipotermia. Mediante el análisis de la expresión genética de los genes Clock en cepas de tipo salvaje y knockout, así como el análisis de la actividad de las neuronas dentro del SCN y las conexiones con los núcleos próximos del hipotálamo en las condiciones antes mencionadas, se ha demostrado que el SCN es el centro de control del ritmo circadiano de la temperatura corporal. [9] Este control circadiano, por lo tanto, incluye la influencia directa e indirecta de muchos de los comportamientos termorreguladores en los que participan los mamíferos para mantener la homeostasis.
- Lagartos ruinosos : se han realizado varios estudios sobre los genes expresados en las células oscilantes circadianas del SCN durante diversas condiciones de luz y oscuridad, así como sobre los efectos de la inducción de hipotermia leve en reptiles. En términos de estructura, los SCN de los lagartos se parecen más a los de los ratones, ya que poseen una porción dorsomedial y un núcleo ventrolateral. [10] Sin embargo, la expresión genética del gen Per2 relacionado con el circadiano en los lagartos es similar a la de los reptiles y las aves, a pesar de que se sabe que las aves tienen una estructura SCN distinta que consta de una porción lateral y medial. [11] Estudiar el SCN del lagarto debido al pequeño tamaño corporal del lagarto y la ectotermia es invaluable para comprender cómo esta clase de vertebrados modifica su comportamiento dentro de la dinámica del ritmo circadiano, pero aún no se ha determinado si los sistemas de los vertebrados de sangre fría se ralentizaron como resultado de la disminución de la actividad en el SCN o mostraron disminuciones en la actividad metabólica como resultado de la hipotermia. [8]
Otras señales de la retina
El SCN es uno de los muchos núcleos que reciben señales nerviosas directamente desde la retina.
Algunos de los otros son el núcleo geniculado lateral (LGN), el colículo superior , el sistema óptico basal y el pretecto :
- El LGN transmite información sobre el color, el contraste, la forma y el movimiento a la corteza visual y él mismo envía señales al SCN.
- El colículo superior controla el movimiento y la orientación del ojo.
- El sistema óptico basal también controla los movimientos oculares. [12]
- El pretecto controla el tamaño de la pupila .
La expresion genica
El ritmo circadiano en el SCN se genera mediante un ciclo de expresión génica en neuronas individuales del SCN. Este ciclo se ha conservado bien a lo largo de la evolución y, en esencia, es similar en células de muchos organismos muy diferentes que muestran ritmos circadianos.
Mosca de fruta
En la mosca de la fruta Drosophila , el ritmo circadiano celular en las neuronas está controlado por dos circuitos de retroalimentación entrelazados.
- En el primer ciclo, el reloj de factores de transcripción de bHLH ( CLK ) y el ciclo ( CYC ) impulsan la transcripción de su propio período represor ( PER ) y atemporal ( TIM ). Luego, las proteínas PER y TIM se acumulan en el citoplasma, se trasladan al núcleo por la noche y desactivan su propia transcripción, estableciendo así una oscilación de 24 horas de transcripción y traducción.
- En el segundo ciclo, los factores de transcripción vrille ( VRI ) y Pdp1 son iniciados por CLK / CYC. PDP1 actúa positivamente sobre la transcripción de CLK y negativamente sobre VRI.
Estos genes codifican varios factores de transcripción que desencadenan la expresión de otras proteínas. Los productos de reloj y ciclo , llamados CLK y CYC, pertenecen a la subfamilia que contiene PAS de la familia básica de factores de transcripción hélice-bucle-hélice (bHLH) y forman un heterodímero . Este heterodímero (CLK-CYC) inicia la transcripción de PER y TIM , cuyos productos proteicos se dimerizan y luego inhiben su propia expresión al interrumpir la transcripción mediada por CLK-CYC. Este mecanismo de retroalimentación negativa da un ritmo de 24 horas en la expresión de los genes del reloj . Se sospecha que muchos genes están ligados al control circadiano por "elementos de caja E" en sus promotores, ya que CLK-CYC y sus homólogos se unen a estos elementos.
El ritmo de 24 horas podría restablecerse mediante la luz a través de la proteína criptocromo (CRY), que participa en la fotorrecepción circadiana en Drosophila . CRY se asocia con TIM de una manera dependiente de la luz que conduce a la destrucción de TIM. Sin la presencia de TIM para la estabilización, PER se destruye eventualmente durante el día. Como resultado, la represión de CLK-CYC se reduce y todo el ciclo se reinicia nuevamente.
Mamíferos
En los mamíferos, los genes del reloj circadiano se comportan de manera similar a los de las moscas.
RELOJ (ciclos de salida del aparato locomotor circadiano Kaput) se clonó primero en el ratón y BMAL1 (receptor de hidrocarburo cerebro y arilo músculo translocador nuclear ( ARNT) -como 1 ) es el homólogo primaria de Drosophila CYC.
Se han identificado tres homólogos de PER ( PER1 , PER2 y PER3 ) y dos homólogos de CRY ( CRY1 y CRY2 ).
TIM se ha identificado en mamíferos; sin embargo, su función aún no está determinada. Las mutaciones en TIM dan como resultado una incapacidad para responder a los zeitgebers , lo cual es esencial para restablecer el reloj biológico. [ cita requerida ]
Investigaciones recientes sugieren que, fuera del SCN, los genes del reloj también pueden tener otras funciones importantes, incluida su influencia en los efectos de las drogas de abuso como la cocaína . [13] [14]
Electrofisiología
Las neuronas en el SCN disparan potenciales de acción en un ritmo de 24 horas. Al mediodía, la velocidad de disparo alcanza un máximo y, durante la noche, vuelve a caer. Se desconoce cómo se conecta el ciclo de expresión génica (el llamado reloj central) con la activación neural. [ cita requerida ]
Muchas neuronas SCN son sensibles a la estimulación de la luz a través de la retina y disparan de manera sostenida potenciales de acción durante un pulso de luz (~ 30 segundos) en roedores. La respuesta fótica probablemente esté relacionada con los efectos de la luz sobre los ritmos circadianos. Además, la aplicación focal de melatonina puede disminuir la actividad de disparo de estas neuronas, lo que sugiere que los receptores de melatonina presentes en el SCN median los efectos de cambio de fase a través del SCN. [ cita requerida ]
Ver también
- Cronobiología
- Célula ganglionar fotosensible
- Sentido del tiempo
- Tracto retinohipotalámico
- Trastorno del sueño en el trabajo por turnos
- Trastorno de sueño-vigilia que no dura 24 horas
Referencias
- ↑ Fahey J (15 de octubre de 2009). "Cómo tu cerebro dice la hora" . Fuera de los laboratorios . Forbes.
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enlaces externos
- Diagrama en thebrain.mcgill.ca