Влияние грелина на спайковую активность нейронов супрахиазматического ядра крысы

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

В одном из важнейших нефотических механизмов синхронизации циркадианных биологических часов супрахиазматического ядра гипоталамуса с внешним геофизическим 24-часовым ритмом используется информация о режиме питания, составе и калорийности пищи. В рамках данного механизма потенциальным носителем сигнала является гормон грелин – продукт нейроэндокринных париетальных клеток слизистой оболочки желудка. В экспериментах на сагиттальных срезах гипоталамуса крыс-самцов Вистар изучали влияние 25 нМ грелина на уровень спайковой активности и параметры спайкового кодирования информации нейронами супрахиазматического ядра. Аппликации грелина приводили к росту частоты спайков и снижению энтропии распределения межспайковых интервалов у 32.1% зарегистрированных нейронов. У 29.6% клеток наблюдались реакции противоположной направленности, в виде снижения активности и роста энтропии распределения межспайковых интервалов. Показатели спайковой активности остальных 38.3% нейронов супрахиазматического ядра не изменялись. Наблюдавшиеся изменения энтропии распределения межспайковых интервалов свидетельствуют о соответствующих изменениях степени нерегулярности межспайковых интервалов под влиянием грелина. Аппликация селективного высокоаффинного антагониста GHS-R1a рецептора JMV 2959 (100 нМ) не приводила к изменениям исследуемых параметров спайковой активности, однако она полностью предотвращала изменения частоты спайков и энтропии распределения межспайковых интервалов, возникавшие в присутствии грелина. Полученные данные показывают, что гормон грелин при непосредственном воздействии на супрахиазматическое ядро in vitro оказывает модулирующее влияние на уровень активности и спайковый код относительно многочисленной популяции нейронов этого ядра, причем обнаруженные эффекты грелина реализуются через GHS-R1a рецепторы. Результаты настоящего исследования служат дополнительным аргументом в пользу гипотезы об участии грелина в механизмах нефотической настройки циркадианных биологических часов в соответствии с выраженностью пищевой мотивации и уровнем метаболизма.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. Н. Инюшкин

Самарский национальный исследовательский университет им. Академика С. П. Королева

Email: ainyushkin@mail.ru
Россия, Самара

А. Ю. Шарафутдинова

Самарский национальный исследовательский университет им. Академика С. П. Королева

Email: ainyushkin@mail.ru
Россия, Самара

Е. М. Инюшкина

Самарский национальный исследовательский университет им. Академика С. П. Королева

Email: ainyushkin@mail.ru
Россия, Самара

А. А. Инюшкин

Самарский национальный исследовательский университет им. Академика С. П. Королева

Автор, ответственный за переписку.
Email: ainyushkin@mail.ru
Россия, Самара

Список литературы

  1. Hastings MH, Maywood ES, Brancaccio M (2018) Generation of circadian rhythms in the suprachiasmatic nucleus. Nature Rev Neurosci 19: 273–278. https://doi.org/10.1038/s41583–018–0026-z
  2. Hastings MH, Maywood ES, Brancaccio M (2019) The mammalian circadian timing system and the suprachiasmatic nucleus as its pacemaker. Biology 8: 13. https://doi.org/10.3390/biology8010013
  3. Ashton A, Foster RG, Jagannath A (2022) Photic entrainment of the circadian system. Int J Mol Sci 23:729. https://doi.org/10.3390/ijms23020729
  4. Pickel L, Sung HK (2020) Feeding rhythms and the circadian regulation of metabolism. Front Nutr 7: 39. https://doi.org/10.3389/fnut.2020.00039
  5. Grosjean E, Simonneaux V, Challet E (2023) Reciprocal interactions between circadian clocks, food intake, and energy metabolism. Biology 12: 539. https://doi.org/10.3390/biology12040539
  6. Sakata I, Sakai T (2010) Ghrelin cells in the gastrointestinal tract. Int J Pept 2010: 945056. https://doi.org/10.1155/2010/945056
  7. Natalucci G, Riedl S, Gleiss A, Zidek T, Frisch H (2005) Spontaneous 24-h ghrelin secretion pattern in fasting subjects: maintenance of a meal-related pattern. Eur J Endocrinol 152: 845–850. https://doi.org/10.1530/eje.1.01919
  8. Schaeffer M, Langlet F, Lafont C, Molino F, Hodson DJ, Roux T, Lamarque L, Verdie P, Bourrier E, Dehouck B, Baneres JL, Martinez J, Mery PF, Marie J, Trinquet E, Fehrentz JA, Prevot V, Mollard P (2013) Rapid sensing of circulating ghrelin by hypothalamic appetite-modifying neurons. Proc Natl Acad Sci U S A 110: 1512–1517. https://doi.org/10.1073/pnas.1212137110
  9. Nakazato M, Murakami N, Date Y, Kojima M, Matsuo H, Kangawa K, Matsukura S (2001) A role for ghrelin in the central regulation of feeding. Nature 409: 194–198. https://doi.org/10.1038/35051587
  10. Cowley MA, Smith RG, Diano S, Tschop M, Pronchuk N, Grove KL, Strasburger CJ, Bidlingmaier M, Esterman M, Heiman ML, Garcia-Segura LM, Nillni EA, Mendez P, Low MJ, Sotonyi P, Friedman JM, Liu H, Pinto S, Colmers WF, Cone RD, Horvath TL (2003) The distribution and mechanism of action of ghrelin in the CNS demonstrates a novel hypothalamic circuit regulating energy homeostasis. Neuron 37: 649–661. https://doi.org/10.1016/s0896–6273(03)00063–1
  11. Yi CX, van der Vliet J, Dai J, Yin G, Ru L, Buijs RM (2006) Ventromedial arcuate nucleus communicates peripheral metabolic information to the suprachiasmatic nucleus. Endocrinology 147: 283–294. https://doi.org/10.1210/en.2005–1051
  12. Sun Y, Wang P, Zheng H, Smith RG (2004) Ghrelin stimulation of growth hormone release and appetite is mediated through the growth hormone secretagogue receptor. Proc Natl Acad Sci U S A 101: 4679–4684. https://doi.org/10.1073/pnas.0305930101
  13. Moulin A, Brunel L, Boeglin D, Demange L, Ryan J, M’Kadmi C, Denoyelle S, Martinez J, Fehrentz JA (2013) The 1,2,4-triazole as a scaffold for the design of ghrelin receptor ligands: development of JMV 2959, a potent antagonist. Amino Acids 44: 301–314. https://doi.org/10.1007/s00726–012–1355–2
  14. Mitchell V, Bouret S, Beauvillain JC, Schilling A, Perret M, Kordon C, Epelbaum J (2001) Comparative distribution of mRNA encoding the growth hormone secretagogue-receptor (GHS-R) in Microcebus murinus (Primate, lemurian) and rat forebrain and pituitary. J Comp Neurol 429: 469–489. https://doi.org/10.1002/1096–9861(20010115)429:3<469:: AID-CNE8>3.0.CO;2-%23
  15. Zigman JM, Jones JE, Lee CE, Saper CB, Elmquist JK (2006) Expression of ghrelin receptor mRNA in the rat and the mouse brain. J Comp Neurol 494: 528–548. https://doi.org/10.1002/cne.20823
  16. Airapetov MI, Eresko SO, Lebedev AA, Bychkov ER, Shabanov PD (2021) Expression of the growth hormone secretagogue receptor 1a (GHS-R1a) in the brain. Physiol Rep: 9: e15113. https://doi.org/10.14814/phy2.15113
  17. Waddington Lamont E, Bruton J, Blum ID, Abizaid A (2014) Ghrelin receptor-knockout mice display alterations in circadian rhythms of activity and feeding under constant lighting conditions. Eur J Neurosci 39: 207–217. https://doi.org/10.1111/ejn.12390
  18. Yi CX, Challet E, Pevet P, Kalsbeek A, Escobar C, Buijs RM (2008) A circulating ghrelin mimetic attenuates light-induced phase delay of mice and light-induced Fos expression in the suprachiasmatic nucleus of rats. Eur J Neurosci 27: 1965–1972. https://doi.org/10.1111/j.1460–9568.2008.06181.x
  19. Yannielli PC, Molyneux PC, Harrington ME, Golombek DA (2007) Ghrelin effects on the circadian system of mice. J Neurosci 27(11): 2890–2895. https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.3913–06.2007
  20. Guo W, Fouda ME, Eltawil AM, Salama KN (2021) Neural coding in spiking neural networks: a comparative study for robust neuromorphic systems. Front Neurosci 15: 638474. https://doi.org/10.3389/fnins.2021.638474
  21. Bhumbra GS, Inyushkin AN, Saeb-Parsy K, Hon A, Dyball RED (2005) Rhythmic changes in spike coding in the rat suprachiasmatic nucleus. J Physiol 653: 291–307. https://doi.org/10.1113/jphysiol.2004.079848
  22. Brown TM, Coogan AN, Cutler DJ, Hughes AT, Piggins HD (2008) Electrophysiological actions of orexins on rat suprachiasmatic neurons in vitro. Neurosci Lett 448: 273–278. https://doi.org/10.1016/j.neulet.2008.10.058
  23. Inyushkin AN, Bhumbra GS, Dyball RED (2009) Leptin modulates spike coding in the rat suprachiasmatic nucleus. J Neuroendocrinol 21: 705–714. https://doi.org/10.1111/j.1365–2826.2009.01889.x
  24. Inyushkin AN, Petrova AA, Tkacheva MA, Inyushkina EM (2017) Effects of neuropeptide Y on neuron spike activity in the rat suprachiasmatic nucleus in vitro. Neurosci Behav Physiol 47: 1257–1269. https://doi.org/10.1007/s11055–017–0402–6
  25. Gross JD, Kim DW, Zhou Y, Jansen D, Slosky LM, Clark NB, Ray CR, Hu X, Southall N, Wang A, Xu X, Barnaeva E, Wetsel WC, Ferrer M, Marugan JJ, Caron MG, Barak LS, Toth K (2022) Discovery of a functionally selective ghrelin receptor (GHSR1a) ligand for modulating brain dopamine. Proc Natl Acad Sci U S A 119(10): e2112397119. https://doi.org/10.1073/pnas.2112397119
  26. Bhumbra GS, Inyushkin AN, Dyball RED (2004) Assessment of spike activity in the supraoptic nucleus. J Neuroendocrinol 16: 390–397. https://doi.org/10.1111/j.0953–8194.2004.01166.x
  27. Bhumbra GS, Dyball RED (2003) Measuring spike coding in the rat supraoptic nucleus. J Physiol 555: 281–296. https://doi.org/10.1113/jphysiol.2003.053264
  28. Mistlberger RE (2020) Food as circadian time cue for appetitive behavior. F1000Research 2020, 9(F1000 Faculty Rev): 61. https://doi.org/10.12688/f1000research.20829.1
  29. de Assis LVM, Oster H (2021) The circadian clock and metabolic homeostasis: entangled networks. Cell Mol Life Sci 78: 4563–4587. https://doi.org/10.1007/s00018–021–03800–2
  30. Chambers L, Seidler K, Barrow M (2022) Nutritional entrainment of circadian rhythms under alignment and misalignment: A mechanistic review. Clin Nutr ESPEN51: 50–71. https://doi.org/10.1016/j.clnesp.2022.06.010
  31. Pendergast JS, Yamazaki S (2018) The mysterious food-entrainable oscillator: insights from mutant and engineered mouse models. J Biol Rhythms 33: 458–474. https://doi.org/10.1177/0748730418789043
  32. Dadivson AJ (2006) Search for the feeding-entrainable circadian oscillator: a complex proposition. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol 290: R1524–R1526. https://doi.org/10.1152/ajpregu.00073.2006
  33. Bodosi B, Gardi J, Hajdu I, Szentirmai E, Obal F, Krueger JM (2004) Rhythms of ghrelin, leptin, and sleep in rats: effects of the normal diurnal cycle, restricted feeding, and sleep deprivation. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol 287: R1071–R1079. https://doi.org/10.1152/ajpregu.00294.2004
  34. Kanamoto N, Akamizu T, Tagami T, Hataya Y, Moriyama K, Takaya K, Hosoda H, Kojima M, Kangawa K, Nakao K (2004) Genomic structure and characterization of the 5'-flanking region of the human ghrelin gene. Endocrinology 145: 4144–4153. https://doi.org/10.1210/en.2003–1718
  35. LeSauter J, Hoque N, Weintraub M, Pfaff DW, Silver R (2009) Stomach ghrelin-secreting cells as food-entrainable circadian clocks. Proc Natl Acad Sci USA 106: 13582–13587. https://doi.org/10.1073/pnas.0906426106
  36. Na J, Park BS, Jang D, Kim D, Tu TH, Ryu Y, Ha CM, Koch M, Yang S, Kim JG, Yang S (2022) Distinct firing activities of the hypothalamic arcuate nucleus neurons to appetite hormones. Int J Mol Sci 23: 2609. https://doi.org/10.3390/ijms23052609
  37. Moore RY, Speh JC, Leak RK (2002) Suprachiasmatic nucleus organization. Cell Tissue Res 309: 89–98. https://doi.org/10.1007/s00441–002–0575–2
  38. Morin LP, Shivers KY, Blanchard JH, Muscat L (2006) Complex organization of mouse and rat suprachiasmatic nucleus. Neuroscience 137: 1285–1297. https://doi.org/10.1016/j.neuroscience.2005.10.030
  39. 39. Nygard M, Palomba M (2006) The GABAergic network in the suprachiasmatic nucleus as a key regulator of the biological clock: does it change during senescence? Chronobiol Int 23: 427–435. https://doi.org/10.1080/07420520500545938
  40. Kwon J, Jang MW, Lee J (2021) Retina-attached slice recording reveals light-triggered tonic GABA signaling in suprachiasmatic nucleus. Mol Brain 14: 171. https://doi.org/10.1186/s13041–021–00881–9
  41. Albers HE, Walton JC, Gamble KL, McNeill JKIV, Hummer DL (2016) The dynamics of GABA signaling: revelations from the circadian pacemaker in the suprachiasmatic nucleus. Front Neuroendocrinol 44: 35–82. https://doi.org/10.1016/j.yfrne.2016.11.003
  42. Ono D, Honma KI, Honma S (2021) GABAergic mechanisms in the suprachiasmatic nucleus that influence circadian rhythm. J Neurochem 157: 31–41. https://doi.org/10.1111/jnc.15012
  43. Kojima M, Hosoda H, Kangawa K (2001) Purification and distribution of ghrelin: The natural endogenous ligand for the growth hormone secretagogue receptor. Horm Res 51 (Suppl S1): 93–97. https://doi.org/10.1159/000048143
  44. Jiao ZT, Luo Q (2022) Molecular mechanisms and health benefits of ghrelin: A narrative review. Nutrients 14: 4191. https://doi.org/10.3390/nu14194191
  45. Campo AT (2020) Inferring neural information flow from spiking data. Comput Struct Biotechnol J 18: 2699–2708. https://doi.org/10.1016/j.csbj.2020.09.007
  46. Saeb-Parsy K, Dyball REJ (2003) Defined cell groups in the rat suprachiasmatic nucleus have different day/night rhythms of single-unit activity in vivo. J Biol Rhythms 18: 26–42. https://doi.org/10.1177/0748730402239674
  47. Salome N, Haage D, Perrissoud D, Moulin A, Demange L, Egecioglu E, Fehrentz JA, Martinez J, Dickson SL (2009) Anorexigenic and electrophysiological actions of novel ghrelin receptor (GHS-R1A) antagonists in rats. Eur J Pharmacol 612: 167–173. https://doi.org/10.1016/j.ejphar.2009.03.066

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Примеры реакций нейронов супрахиазматического ядра на аппликацию 25 нМ грелина в виде роста спайковой активности (a), снижения спайковой активности (b) и отсутствия существенных изменений активности (c). Для всех нейронов в верхней части рисунка представлены гистограммы с данными об изменениях уровня спайковой активности клеток по ходу эксперимента. Период аппликации грелина показан горизонтальным отрезком над гистограммой. По оси абсцисс – время в секундах (момент начала аппликации соответствует 0), по оси ординат – частота спайков (Гц). Горизонтальным отрезкам под гистограммой (i, ii) соответствуют 100-секундные интервалы записи спайковой активности нейронов, представленные под гистограммой: (i) – непосредственно перед воздействием, (ii) – в конце аппликации грелина.

Скачать (501KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Статистические данные о влиянии 25 нМ грелина на среднюю частоту потенциалов действия, Гц (левые диаграммы), энтропию распределения межспайковых интервалов, бит (средние диаграммы) и обоюдную информацию между сопряжёнными межспайковыми интервалами, бит (правые диаграммы) нейронов супрахиазматического ядра. (a) Нейроны, активность которых повышалась под влиянием грелина (n = 26). (b) Нейроны, активность которых снижалась под влиянием грелина (n = 24). (c) Вся совокупность зарегистрированных нейронов (n = 81). Обозначения под диаграммами: Before – исходное состояние; Ghrelin – на фоне действия грелина; Washout – после «отмывания» среза иЦСЖ. Звёздочками отмечены статистически значимые различия с исходным состоянием: *p < 0.05; **p < 0.01; ***p < 0.001.

Скачать (296KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Селективный антагонист GHS-R1a рецепторов JMV 2959 не оказывал влияния на спайковую активность нейронов супрахиазматического ядра, но предотвращал эффекты 25 нМ грелина. (a) Пример реакции нейрона на аппликацию антагониста и последующую аппликацию грелина. В верхней части рисунка представлена гистограмма с данными о частоте спайков нейрона по ходу эксперимента. Периоды аппликации антагониста и грелина показаны горизонтальными отрезками над гистограммой. По оси абсцисс – время в секундах (момент начала аппликации соответствует 0), по оси ординат – частота спайков (Гц). Горизонтальным отрезкам под гистограммой (i, ii, iii) соответствуют 100-секундные интервалы записи спайковой активности нейронов, представленные под гистограммой: (i) – непосредственно перед воздействием, (ii) – в конце аппликации антагониста, (iii) – в конце аппликации грелина на фоне действия антагониста. (b) Статистические данные о влиянии 100 нМ JMV 2959 и 25 нМ грелина на фоне действия антагониста на среднюю частоту потенциалов действия, Гц (левая диаграмма), энтропию распределения межспайковых интервалов, бит (средняя диаграмма) и обоюдную информацию между сопряжёнными межспайковыми интервалами, бит (правая диаграмма) нейронов (n = 22). Обозначения под диаграммами: Before – исходное состояние; JMV 2959 – на фоне действия антагониста; JMV 2959 + Ghrelin – на фоне совместного действия антагониста и грелина; Washout – после «отмывания» среза иЦСЖ.

Скачать (327KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024