時間生物學

概述，包括一些生理人類的參數晝夜節律（“生物鐘”）.

時間生物學是一個領域生物學這是檢查的定時過程，包括活生物體中的周期性（環狀）現象，例如它們適應太陽的- 和月球 - 相關的節奏。[1]這些週期稱為生物節奏。時間生物學來自古希臘χρόνος（克隆，意思是“時間”），生物學，與研究或科學有關的生活。相關術語計時學和計時在某些情況下已被用來描述分子涉及時間生物學現像或時間生物學的更定量方面的機制，尤其是在需要比較生物之間的循環的情況下。

時間生物學研究包括但不限於比較解剖學，生理，遺傳學，分子生物學和行為與它們相關的生物生物節奏.[1]其他方麵包括表觀遺傳學，發展，繁殖，生態和進化。

主題

時間生物學研究生物學生物活性的時間和生物活性持續時間的變化，這些生物活性發生在許多基本生物學過程中。這些發生（a）在動物中（飲食，睡眠，交配，冬眠，遷移，細胞再生等），（b）植物（葉片運動，光合作用反應等）以及在真菌和原生動物等微生物中。他們甚至被發現細菌，特別是在藍細菌（又名藍綠色藻類，請參閱細菌晝夜節律）。研究時間最好的節奏是晝夜節律，所有這些生物的生理過程顯示了大約24小時的周期。期限晝夜節律來自拉丁大約，意思是“周圍”和死亡，“天”，意思是“大約一天”。它受到晝夜節律.

在24小時的一天中，晝夜節律可以進一步分解為常規週期：[2]

  • 晝夜，描述白天活躍的生物
  • 夜，描述在夜晚活躍的生物
  • crepuscular，它描述了在黎明和黃昏時期主要活躍的動物（例如：白尾鹿，一些蝙蝠）

儘管晝夜節律定義為受內源性過程，其他生物週期可能受到外源信號的調節。在某些情況下，多營養系統可能會表現出由其中一個成員的晝夜節律驅動的節奏（這也可能受到外部因素的影響或重置）。內源性植物週期可以通過控制植物生產的光合作用的可用性來調節細菌的活性。

還研究了許多其他重要周期，包括：

  • 基礎節奏，循環比一天更長。示例包括巡洋艦或在許多動植物中控制遷移或繁殖週期的年度週期，或者人類月經週期.
  • 超級節奏，循環短於24小時，例如90分鐘REM週期，4小時鼻週期，或3小時的周期生長激素生產。
  • 潮汐節奏，在海洋生物中通常觀察到，從高潮到低潮和背部的大約12.4小時過渡。
  • 月球節奏，跟隨農曆月（29.5天）。它們是相關的，例如對於海洋生物，由於潮汐的水平在整個月球週期中進行了調節。
  • 基因振盪 - 一些基因是表達在一天中的某些小時內，比其他小時更多。

在每個週期內，該過程更活躍的時間段稱為雜音.[3]當該過程不太活躍時，週期在其中浴缸或者槽階段。最高活動的特定時刻是頂峰或者最大;最低點是納迪爾.

歷史

法國科學家在18世紀首次在18世紀觀察到晝夜節律。讓 - 雅克·迪（Jean-Jacques d'ortous de Mairan）.[4]1751年瑞典人植物學家和博物學家卡爾·林納（Carl Linnaeus）（CarlvonLinné）設計了花鐘使用某些物種開花植物。通過以圓形圖案排列選定的物種，他設計了一個時鐘，該時鐘錶明每一個給定小時開放的花朵在一天中的時間。例如，在成員中雛菊家族，他用了霍克的鬍鬚植物在上午6:30打開花朵，鷹派直到凌晨7點才打開花朵。[5]

1960年的研討會冷泉港實驗室為計時生物學領域奠定了基礎。[6]

也是1960年Patricia Decoursey發明了相響應曲線，此後在該領域使用的主要工具之一。

弗朗茲·霍爾伯格（Franz Halberg）的明尼蘇達大學，誰創造了這個詞晝夜節律，被廣泛認為是“美國年代生物學之父”。但是，是Colin Pittendrigh而不是當選為領導的霍爾伯格生物節奏研究學會在1970年代。霍爾伯格（Halberg）希望更多地重視人類和醫療問題，而皮特德里（Pittendrigh）的進化和生態學則更多。在Pittendrigh擔任領導者的情況下，協會成員對所有類型的生物，植物和動物進行了基礎研究。最近，很難為任何其他生物的研究獲得資金，而不是小鼠，老鼠，人類[7][8]和果蠅.

視網膜神經節細胞的作用

黑色素蛋白作為晝夜節律的光化

2002年，哈塔他的同事表明黑色素蛋白在各種光學響應中起關鍵作用，包括瞳孔燈光反射，和同步生物鐘每天的淺黑暗週期。他還描述了黑色素蛋白在IPRGC。使用大鼠黑色素基因，黑色素特異性抗體和熒光免疫細胞化學，該小組得出結論，黑色素蛋白在一些RGC中表達。用一個β-半乳糖苷酶測定，他們發現這些RGC軸突與視神經並投入到肌核上核（SCN），主要的晝夜節奏起搏器哺乳動物。他們還證明了含有黑色素蛋白的RGC具有內在的光敏性。Hattar得出的結論是，黑素蛋白是RGC的一小部分中的照片，這有助於這些細胞的內在光敏性，並且參與其非圖像形成功能，例如光學夾帶和瞳孔光反射。[9]

黑素細胞中繼棒和錐的輸入

Phototransduction and ipRGCs in mammals
光進入眼睛，撞擊視網膜色素上皮（栗色）。這激發了桿（灰色）和錐（藍色/紅色）。這些細胞突觸到雙極細胞（粉紅色），刺激IPRGC（綠色）和RGC（橙色）。RGC和IPRGC通過視神經傳輸信息。此外，光可以通過其黑色素蛋白的光譜直接刺激IPRGC。IPRGC獨特地投射到超chi核核，使生物體可以夾帶到黑暗的周期中。

哈塔爾（Hattar）掌握了黑黴素（Melanopsin）是負責IPRGC光敏性的光學作用，著手研究IPRGC在光腸道中的確切作用。2008年，Hattar和他的研究團隊移植了白喉毒素基因進入鼠黑素基因基因座創建突變體缺乏IPRGC的老鼠。研究小組發現，儘管突變體難以識別視覺目標，但它們無法納入淺黑暗週期。這些結果導致Hattar和他的團隊得出結論，IPRGC不會影響形成圖像的視覺，而是顯著影響非圖像形成功能，例如光座。[9]

獨特的IPRGC

進一步的研究表明，IPRGCS向不同的腦核投射，以控制非圖像形成和圖像形成函數。[10]這些大腦區域包括SCN，其中IPRGC的輸入對於光倫丁晝夜節律和橄欖型預性核（OPN），其中IPRGC的輸入控制瞳孔光反射。[11]Hattar及其同事進行了研究，該研究表明IPRGCS投影到下丘腦，丘腦，層，腦乾和邊緣結構。[12]儘管最初將IPRGC視為統一的人群，但進一步的研究表明，有幾種具有獨特的形態和生理學的亞型。[10]自2011年以來，哈塔爾的實驗室[13]為這些發現做出了貢獻，並成功區分了IPRGC的亞型。[11]

IPRGC的多樣性

哈塔爾和大學利用基於CRE標記IPRGC的策略，以揭示至少有五個IPRGC子類型將其投影到許多中心目標。[11]迄今為止，五類的IPRGC（M1至M5）在囓齒動物中已被描述。這些類別在形態學，樹突定位，黑素蛋白含量，電生理譜和投影方面有所不同。[10]

M1細胞的多樣性

Hattar和他的同事發現，即使在IPRGC的亞型中，也可以有差異控制晝夜節律與瞳孔行為的指定組。在使用M1 IPRGC的實驗中，他們發現轉錄因子brn3b由針對OPN的M1 IPRGC表示，而不是針對SCN的M1。使用這些知識，他們設計了一個實驗來穿越黑色素蛋白 - 克雷帶有從BRN3B基因座有條件表達毒素的小鼠的小鼠。這使他們能夠僅選擇性地燒掉OPN投射M1 IPRGC，從而導致瞳孔反射的損失。但是，這並沒有損害晝夜節律的夾帶。這表明M1 IPRGC由分子截然不同的亞群組成，這些亞群支配了不同的大腦區域並執行特定的光誘導功能。[11]在高度特定的IPRGC亞型中，該隔離的“標記線”的分離對於該領域來說是重要的第一。它還強調了可以使用分子特徵來區分原本相同的RGC種群的程度，這又有助於進一步研究其對視覺處理的特定貢獻。[11]

光曝光的心理影響

先前在晝夜節律生物學的研究已經確定，在異常時間內暴露於光導致睡眠剝奪以及影響情緒和情緒的晝夜節律系統的破壞認知功能。儘管這種間接關係得到了證實，但沒有做很多工作來檢查不規則的光照暴露，異常情緒，認知功能，正常睡眠模式和晝夜節律振蕩之間是否存在直接關係。在2012年發表的一項研究中，Hattar實驗室能夠表明，變形的光週期直接誘導沮喪 - 像症狀一樣，導緻小鼠學習受損，獨立於睡覺和晝夜節律。[14]

對情緒的影響

IPRGCS項目針對大腦的區域，對於調節晝夜節律和睡眠很重要，最著名的是SCN，室內核核和腹側前區域。此外，IPRGC將信息傳輸到邊緣系統，這與情感和記憶密切相關。為了檢查偏差暴露與行為之間的關係，Hattar和他的同事研究了暴露於交替的3.5小時光線和黑暗時期（T7小鼠）的小鼠，並將其與暴露於交替的12小時光和黑暗時期（T24小鼠）的小鼠進行了比較。。與T24週期相比，T7小鼠的總睡眠和晝夜節律表達相同PER2這是SCN起搏器的元素，並沒有被破壞。通過T7週期，將小鼠暴露於所有晝夜節相的光。夜間出現的光脈衝導致轉錄因子的表達c-fos在裡面杏仁核，外側Habenula，以及子室內核進一步暗示了Light可能對情緒和其他認知功能的影響。[15]

接受T7週期的小鼠表現出類似抑鬱症狀的症狀，表現出偏愛的偏好蔗糖（蔗糖Anhedonia）並表現出比其T24在強制游泳測試（FST）。此外，T7小鼠保持血清有節奏性皮質酮但是，與T24小鼠相比，水平升高，這一趨勢與抑鬱症有關。長期給藥抗抑鬱藥氟西汀T7小鼠的皮質酮水平降低，並降低了類似抑鬱症的行為，同時使其晝夜節律不受影響。[14]

對學習的影響

這海馬是邊緣系統中接收IPRGC預測的結構。合併需要短期記憶進入長期記憶以及空間取向和導航。抑鬱症和血清皮質酮水平升高與海馬學習受損有關。Hattar和他的團隊分析了T7小鼠莫里斯水迷宮（MWM），這是一項空間學習任務，將鼠標放在一小池中，並測試鼠標定位和記住位於水線下方的救援平台的位置的能力。與T24小鼠相比，T7小鼠在隨後的試驗中找到平台花費了更長的時間，並且不偏愛包含該平台的象限。此外，T7小鼠表現出海馬受損長期增強（LTP）theta爆發刺激（TBS）。識別記憶也受到影響，T7小鼠在新穎的對象識別測試中未能表現出對新物體的偏好。[16]

IPRGC的必要性

沒有的小鼠（OPN4ADTA/ADTA小鼠）不容易受到異常光週期的負面影響，表明通過這些細胞傳輸的光信息在調節情緒和認知功能（例如學習和記憶）中起著重要作用。[17]

研究發展

光和褪黑激素

最近，光療和褪黑激素管理已由阿爾弗雷德·J·劉易（Alfred J. Lewy）（OHSU），約瑟芬·阿倫特（Josephine Arendt）（薩里大學，英國）和其他研究人員作為重置動物和人類晝夜節律的一種手段。此外，夜間存在低水平的光線會加速所有年齡段的倉鼠的晝夜節律。這被認為與月光的模擬有關。[18]

在20世紀下半葉，歐洲人做出了重大貢獻和形式化JürgenAschoff和Colin Pittendrigh，他對此現象的不同但互補的觀點夾帶光線（參數，連續，補品，漸進與非參數，離散，階段，瞬時）的晝夜節律系統[19]）。

計時型

人類可以傾向於成為早晨的人或晚上的人；這些行為偏好稱為計時型對於其中有各種評估問捲和生物標記相關性。[20]

進餐時間

還有一個食物輸入的生物時鐘，不僅限於界面核。這個時鐘的位置已有爭議。但是，與老鼠一起工作等。得出結論，食物輸入的時鐘似乎位於背部下丘腦。在限制餵養期間，它接管了活動時機等功能，增加了動物成功定位食物資源的機會。[21]

互聯網上的晝夜模式

2018年，一項在PLOS One上發表的研究表明，在Twitter含量上測量的73個心理測量指標如何遵循晝夜模式。[22]2021年在2021年國際計時生物學國際學院（Chronobiology International）上發表的一項後續研究表明，這些模式並未被2020年的英國鎖定所破壞。[23]

晝夜節律調節子

2021年，科學家報導了組織晝夜節律的持久性日期調節劑的發展通過CK1抑制。此類調節劑可能對“不同步”的器官的計時生物學研究和修復有用。[24][25]

其他字段

時間生物學是一個跨學科的調查領域。它與醫學和其他研究領域互動睡眠醫學，內分泌學，老年醫學，運動藥物，太空醫學和光週期.[26][27][28]

也可以看看

參考

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進一步閱讀

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外部鏈接