Biological rhythms evolúció ritmikus környezetben zajlott – életfolyamatok ritmikusak 1700-as évektől tudjuk, hogy állandó környezetben fennmaradnak – óra számos misztikus tulajdonság, pl. T független a hőmérséklettől változó hőmérsékletűekben is – nincs óra, nincs állandó környezet a vita 1972-ben dőlt el: Irvine Zucker és Robert Moore egymástól függetlenül: SCN roncsolása patkányban magatartási aritmiát okoz

Types of biological rhythms 2/33 Types of biological rhythms what do we call rhythm in a living organism? – physiological events occurring at approximately regular times internally controlled rhythms: breathing, heart beat, gut motility, brain waves, etc. externally determined rhythms: singing in certain birds, tulips, etc. rhythms controlled by an internal clock that is synchronized to the environment by Zeitgebers (synchronizing factors) – when these are missing: free-running rhythm

External-internal rhythms 3/33 External-internal rhythms De Mairan (1729): leaf movement of mimosa continues in darkness

Rhythms with various periods 4/33 Rhythms with various periods period – determined by the external geophysical variable: tidal: rhythm of high and low tides period: 12.8 h synchronizing factor: pressure, mechanical stimuli daily: rhythm of days and nights period: 24 h synchronizing factor: light, (temperature, activity) lunar: rhythm of moon phases period: 29.5 days synchronizing factor: full moon? annual: rhythm of seasons period: 365 days synchronizing factor: ???

Circannual rhythm in hibernation 5/33 Circannual rhythm in hibernation group 1 – DD, blinded ground squirrels group 2 – LL (500 lux) group 3 – LL (500 lux), blinded group 4 – LL (20 lux) group 5 – LD12:12 (200:0 lux)

Circadian rhythm in hamster 6/33 Circadian rhythm in hamster

Temperature dependency of circadian rhythms 7/33 Temperature dependency of circadian rhythms

8/33 Light effects circadian period (T) of diurnal and nocturnal animals change in opposite direction in constant light (LL) : Aschoff’s rule: diurnal animal: T decreases with light intensity nocturnal animal: T increases with light intensity circadian rule: diurnal animal: wake/sleep ratio increases with light intensity nocturnal animal: wake/sleep ratio decreases with light intensity the strong physiological effect of light is also shown by persistent oestrus short light impulses can change the phase of circadian rhythms

Phase-response curve I. (PRC) 9/33 Phase-response curve I. (PRC) Hannibal, Cell & Tissue Res. 309:73,2002

Phase-response curve II. (PRC) 10/33 Phase-response curve II. (PRC) 1-Sarcophaga 5-Gonyaulax 9-Peromyscus 2-Coleus 6-Anopheles 10-Mus 3-Periplaneta 7-Mesocricetus 11-Chiroptera 4-Euglena 8-Peromyscus 12-Drosophila

Uses of the biological clock 11/33 Uses of the biological clock prediction of environmental events – burrowing animals, intertidal zone navigation based on celestial objects „waggle dance” – orientation based on the position of the Sun measuring the length of days – photoperiodism timing of reproduction – Palolo worm „gating” – timing of events occurring once in a lifetime – hatching of Drosophila

Palolo (mbalolo) feast 12/33 Palolo (mbalolo) feast Jan. Febr. March April May June July Aug. Sept. Oct. Nov. Dec. Oct. Nov. I. II. III. IV. 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 24:00 3:00 6:00 24:00

Master clock of daily rhythms 13/33 daily rhythms can be examined the most easily and probably they are the most important master clock was sought along the optic pathway lesioning various neuron groups two teams, independently, but simultaneously located the master clock: Stephan and Zucker, 1972 Moore and Eichler, 1972 it is the tiny, paired nucleus in the anterior hypothalamus, above the crossing of the optic tract: the nucleus suprachiasmaticus (SCN) in non-mammalian species, clock is also associated with the optic pathway

Publications on the SCN 14/33 Location of the SCN Publications on the SCN az SCN a látóideg kereszteződése felett helyezkedik el páratlan karrier, egyik legtöbbet vizsgált struktúra, elmúlt 10 évben évi 200 cikk

Effect of SCN ablation in rats 15/33 Effect of SCN ablation in rats

Basic questions about the master clock 16/33 Basic questions about the master clock How does it generate the rhythm? a továbbiakban először anatómia, majd fiziológia, ezen belül 3 aspektus

Discovery of clock genes 17/33 Discovery of clock genes 1985 – Martin Ralph – tau-mutant hamster short period in continuous dark (DD), Mendelian inheritance (20/22/24) breakthrough in 1994 using forward genetics – Vitaterna (PhD student) Clock mutant among the first 42 mice – abnormally long period, ceases in DD the mutation caused loss of a glu-rich region characteristic for bHLH type transcription factors conclusion: CLOCK is a transcription factor CLOCK also contains a PAS (Per-Arnt-Sim) domain – ability to form dimers with similar proteins

Clock mechanism (mammals) 18/33 Clock mechanism (mammals) B Bmal1 Clk Clock C B P Per1-3 Cry Cry1-2 P Cry degradation

Basic questions about the master clock 19/33 Basic questions about the master clock How does it generate the rhythm? 2. How is the rhythm adjusted to the external cycles? a továbbiakban először anatómia, majd fiziológia, ezen belül 3 aspektus

Layers of the retina light 20/33 Szentágothai, Medicina, 1971, Fig.8-60 Berne and Levy, Mosby Year Book Inc, 1993, Fig. 9-6

Photosensitive ganglion cells 21/33 Photosensitive ganglion cells 1 mm magvakítás – nincs alkalmazkodás a fényhez mutáns egér pálcika és csap nélkül – van alkalmazkodás – ganglion sejtek érzékelik a fényt speciális csoport, PACAP tartalommal – kettős jelölés – ezek vetülnek az SCN-re milyen pigment érzékeli a fényt? kettő jött számításba: cryptokróm (kékre érzékeny) és melanopszin (halak és kétéltűek melanoforáiban írták le) előbbi az óramechanizmusban szerepel, utóbbi 2002 decemberi két Science cikk szerint fontosabb – knockout egérben jelentős kárododást szenved a fényhez alkalmazkodás a melanopszin tartalmú sejtek PACAP-ot is tartalmaznak és vetülnek kapnak pálcika és csap bemenetet is a macskában leírt W ganglion sejteknek felelnek meg Hannibal, J., Cell Tissue Res., 309:73, 2002

Ganglion cells of the retina 22/33 Ganglion cells of the retina Berne and Levy, Mosby Year Book Inc, 1993, Fig. 9-16

Inputs to the SCN CTX, BF, HT, etc. raphe SCN retina IGL shell core 23/33 Inputs to the SCN CTX, BF, HT, etc. raphe 5-HT az SCN bemenetei – eltérés a core és a shell között a funkció kérdéses shell NPY core SCN GHT retina Glut PACAP IGL RHT

Basic questions about the master clock 24/33 Basic questions about the master clock How does it generate the rhythm? 2. How is the rhythm adjusted to the external cycles? 3. How does the clock regulate the biological rhythms of the body? a továbbiakban először anatómia, majd fiziológia, ezen belül 3 aspektus

SCN activity in vivo SCN HT 25/33 évek óta végzünk kísérleteket a leideni egyetem élettani tanszékével in vivo és invitro MUA, 125 mikronos elektród, olykor egysejt aktivitás is fény szakaszban magasabb aktivitás éjjeli és nappali állatokban egyaránt, állandó sötétben tartott állatokban hasonló a helyzet szeletben is, a szeletkészítés előtti időhöz mérve patkányban a fordított aktivitás miatt rögtön látni, jó helyen van-e az elektród kisülés éjsaaka közepén 0.7, nappal közepén 1.4 Hz saját méréseinkben (9 sejt legalább 48 órán át) minden sejt oszcillátor a gének miatt, a NyP változás módosítja feltehetően a kisülést – mi szinkronizál? a sejtek GABA-t tartalmaznak, de gátlással is lehet szinkronizálni – ugyanakkor egyesek szerint nappal, mások szerint éjjel serkent a GABA a Cl gradiens megváltozása miatt, megint mások szerint mindig gátol a kisülés viszont nem kell az óra működéséhez: TTX és lidokain kérdés egyáltalán szinkronizáltak-e HT Meijer Meijer, J.H., Watanabe, K., Schaap, J., Albus, H., Détári, L.., J. Neurosci. 18(1998):9078

26/33 SCN activity in vitro

27/33 CT 6 CT 3 CT 9 CT 0 CT 12 éjjel sokkal nagyobb válasz, de azonos előjelű mindig, annak ellenére, hogy a fázis-válasz görbe mást hatást mutat az éjszaka elején és végén CT 21 CT 15 CT 18 Meijer, J.H., Watanabe, K., Schaap, J., Albus, H., Détári, L.., J. Neurosci. 18(1998):9078

Role of pineal gland in sparrow 28/33 Role of pineal gland in sparrow blinded sparrow, in LD 1 – removal of feathers from the back 2 - removal of feathers from the head 3 – removal of regrown feathers 4 – subcutaneous Chinese ink injection 5 – removal of skin and ink

Pineal gland in mammals 29/33 Pineal gland in mammals

Output of the SCN PVN medial HT IGL other targets SCN shell core MPOA 30/33 PVN medial HT MPOA PVN, sPVN DMH, VMH IGL legfontosabb kapcsolatok kiemelni a tobozmirigy szabályozását a szimpatikus idegrendszeren keresztül endocrine neurons CRF, TRH, GnRH vegetative neurons sympathetic, parasympathetic integrating neurons other targets SCN shell core

One clock or several clocks? 31/33 One clock or several clocks? several organs posses the clock mechanism (genetically all) explanation for the persistence of rhythms in isolated organs the master clock regulates through the hormonal system and through the behavior rhythms might get desynchronized: travel through time zones blind people limitation of access to food in time in certain cases constant (no Zeitgebers) environment

Desynchronization in humans 32/33 Desynchronization in humans Handbook of behavioral neurobiology 4, Aschoff, 321.p.