Κεφάλαιο 10. Το νευρικό σύστημα Οι Κιρκαδιανοί Ρυθμοί

Transcript

1 Κεφάλαιο 10. Το νευρικό σύστημα Οι Κιρκαδιανοί Ρυθμοί Σύνοψη Στο κεφάλαιο αυτό γίνεται μια παρουσίαση στοιχείων της ανατομοφυσιολογίας του Προμήκη Μυελού, της Γέφυρας, της Παρεγκεφαλίδας, και του Μεσεγκεφάλου. Κατόπιν συζητιούνται οι κιρκαδιανοί ρυθμοί, η περιοδικότητα και η εποχικότητα. Προαπαιτούμενη γνώση Τα προηγούμενα κεφάλαια του βιβλίου Η ανατομο-φυσιολογία υποσυστημάτων του εγκεφάλου Aισθητηριακά σχέδια δημιουργούνται στον εγκέφαλο όλον τον καιρό. Οι απαντήσεις-κινήσεις όμως, πρώτα περιγράφονται στον προκινητικό φλοιό, και μετά καταλήγουν σε απαντητικές οδούς, που φέρουν σαν συνέχεια εισελθούσης πληροφορίας μια «εντολή-πληροφορία» για το τι χρειάζεται να κάνουν οι μύες που θα επιλεγούν να απαντήσουν. Ωστόσο δεν πρέπει να ξεχνάμε ότι ενώ μιλάμε για απάντηση σε συγκεκριμένο ερέθισμα, τις περισσότερες φορές η απάντηση αυτή δεν είναι άμεση, συνήθως δε δεν είναι και σχετική: δεν σπρώχνουμε πίσω σε απάντηση σπρωξιάς, δεν χαστουκίζουμε πίσω σε απάντηση χαστουκιού δεν μουντζώνουμε πίσω σε απάντηση μούντζας κ.λπ. Τις περισσότερες φορές αντιδρούμε μετά από σκέψη άσχετα αν οι σκέψεις μας είναι λάθος. Γίνεται φανερό λοιπόν ότι οι απαντήσεις δεν είναι όλες αντανακλαστικές ή ενστικτώδεις ή αυτόνομες, αλλά ότι κάποιες σκέψεις παρεμβάλλονται μεταξύ ερεθίσματος και απάντησης, οι δε νευρωνικές τους υλοποιήσεις (των σκέψεων) συμμετέχουν ή/και δημιουργούν τα νευρωνικά δίκτυα που απαντούν στο ερέθισμα. Αυτές οι «σκέψεις για την απάντηση» δεν ταυτίζονται με αποφάσεις που θα έκανε το νευρικό σύστημα αν δεν είχε τις εμπειρίες που έχει. Άρα σχετίζονται και με μνήμη. Νοησιακά τέλος, είναι ημιτελείς νευρωνικές ακολουθίες που δίνουν εντολές για σχηματισμό λέξεων, είναι επηρεασμένες από τη μέχρι τότε ζωή μας (από όλες τις μέχρι τότε εμπειρίες μας), και συμμετέχουν και στα κινητικά μας σχέδια. Παρόλο που πολλά από τα στοιχεία που παραθέτω παρακάτω τα είδαμε μόλις νωρίτερα, κρίνω ότι μερικές συμπληρωματικές πληροφορίες είναι χρήσιμες και σημαντικές (Saladin, 2012). Ρομβεγκέφαλο λοιπόν αποκαλούμε το πρώτο ουραίο μόρφωμα νευρικού ιστού του εμβρύου που εξελίσσεται προς εγκέφαλο. Είναι συνέχεια του νμ. Το μέρος του ΝΣ που αναγνωρίζουμε ως εγκέφαλο μετά το νμ, είναι ο προμήκης μυελός, μετεξέλιξη του μυελεγκέφαλου. Ακολουθούν οι μετεξελίξεις του μετεγκέφαλου, ήτοι η γέφυρα και η παρεγκεφαλίδα και έπεται ο μεσεγκέφαλος. Τα προμήκης, γέφυρα και μεσεγκέφαλος συλλήβδην τα ονομάζουμε εγκεφαλικό στέλεχος. Στο ίδιο περίπου ύψος και προς τη ράχη, αλλά εκτός εγκεφαλικού στελέχους, βρίσκεται και η παρεγκεφαλίδα. Εννιά από τα δώδεκα εγκεφαλικά νεύρα που έχουμε συνδέονται με το εγκεφαλικό στέλεχος, και με αισθητικές, αλλά και με κινητικές ίνες (Kandel, Schwartz & Jessel, 2000). Τέλος, στο στέλεχος παρατηρούμε μακροσκοπικά και τις tegmental και basilar περιοχές. Ακολουθούν οι μετεξελίξεις του διεγκέφαλου, ήτοι το θυμικό ή μεταιχμιακό σύστημα (limbic system) με τα θάλαμο, υποθάλαμο και υπόφυση, η substantia innominata, ο υποθαλαμικός πυρήνας, η μέλαινα ουσία, και, ο τηλεγκέφαλος και οι μετεξελίξεις του, ήτοι τα βασικά γάγγλια, η αμυγδαλή, ο ιππόκαμπος, ο επικλινής πυρήνας, ο insular λοβός, ο κροταφικός λοβός, ο βρεγματικός λοβός, οι λοβοί ινιακός και μετωπιαίος και οι συνδέσεις μεταξύ τους και με άλλα μέρη του εγκεφάλου (Parent & Carpenter, 1995). Οι συνδέσεις πραγματοποιούνται με ίνες και είναι: οι των βασικών γαγγλίων, οι association, οι commissural (μεσολόβιο) και οι projection (έσω κάψα) Ο Προμήκης Μυελός Συνέχεια του νωτιαίου μυελού προς τον φλοιό είναι ο προμήκης μυελός. Με αυτόν αρχίζει το μέρος του ΝΣ που ονομάσαμε εγκέφαλο. Αποτελεί εξέλιξη του μυελεγκέφαλου. Κύτταρά του ελέγχουν αυτόνομες λειτουργίες όπως η αναπνοή, η πέψη, ο ρυθμός της καρδιάς, οι συσπάσεις των αγγείων, η κατάποση και ο πταρμός. Περιέχει κέντρα από τα οποία ξεκινούν νεύρα (κάποιες από τις εγκεφαλικές συζυγίες). 1

2 Η Γέφυρα Συνέχεια του προμήκη προς τον φλοιό είναι η γέφυρα. Η γέφυρα και η παρεγκεφαλίδα προκύπτουν από τον μετεγκέφαλο. Τη γέφυρα διασχίζουν ανιούσες και κατιούσες δέσμες ινών προς και από τον φλοιό. Έχει δε και πολλές διασυνδέσεις με την παρεγκεφαλίδα (cerebellar peduncle) και τον θάλαμο. Οι πυρήνες της εξυπηρετούν τον ύπνο, την αναπνοή, την κατάποση, τον έλεγχο της ουροδόχου κύστης, την ακοή, την ισορροπία, τη γεύση, τις κινήσεις των οφθαλμών, τη στάση του σώματος, την έκφραση του προσώπου και την αίσθηση που παίρνουμε από τα πρόσωπα για μας. Τέλος στη γέφυρα υπάρχει και το κέντρο δημιουργίας των ονείρων που συνοδεύονται στον ύπνο από ταχείες κινήσεις του ματιού (rapid eye movements ή REM) Η Παρεγκεφαλίδα Μακροσκοπικά η παρεγκεφαλίδα δίνει την εντύπωση ενός ξεχωριστού από τον εγκέφαλο μορφώματος, στριμωγμένου κάτω από τα ημισφαίρια. Πράγματι, μέχρι σχεδόν τον δέκατο ένατο αιώνα, από πολλούς θεωρούνταν κάτι το ξεχωριστό. Σήμερα ξέρουμε όχι μόνον ότι είναι ενιαίο σύνολο με τον εγκέφαλο αλλά και ότι έχει σπουδαίο ρόλο συντονισμού κινήσεων, όπως και ότι εμπλέκεται σε μια ολόκληρη σειρά από λειτουργίες όπως η προσοχή, η εκφορά της γλώσσας και ένα είδος ελέγχου του φόβου και της απόλαυσης με κινητικό τρόπο (καταστέλλει μερικές κινήσεις που διεγείρονται από τον φλοιό). Σε περίπτωση που καταλήξουμε στο ότι υπάρχει νευρολογικά σημείο συντονισμού χορού και μουσικής, ίσως η παρεγκεφαλίδα έχει ουσιαστικό μέρος στη νευροβιολογία της μουσικής. Το θέμα, όμως, χρήζει πολύ προσεκτικής έρευνας. Μικροσκοπικά έχει μεγάλη ποικιλία κυττάρων και ινών. Έχει τα κύτταρα του Purkinje, τα κοκκώδη, τα αστεροειδή, τα καλαθοειδή, τα κύτταρα Golgi, κύτταρα υποφλοιωδών παρεγκεφαλιδικών ή/και αιθουσαίων πυρήνων και τέλος κύτταρα των βαθιά στη λευκή ουσία ευρισκόμενων παρεγκεφαλιδικών πυρήνων (DCN = Deep Cerebellar Nuclei). Από ίνες βρίσκουμε τις βρυώδεις (mossy, από το moss = βρύο) τις παράλληλες και τις αναρριχώμενες (climbing). Η διάταξη των κυττάρων της καταλήγει σε «ζώνες» και «μικροζώνες» (Oscarsson, 1979; Apps & Garwicz, 2005). Οι ζώνες και μικροζώνες ορίζονται από τα αισθητηριακά τους πεδία. Ζώνες ονομάζονται τα αισθητηριακά πεδία, περιοχές υποδοχής ερεθίσματος, οι οποίες, ερεθιζόμενες, προκαλούν διέγερση κάποιων κυττάρων του ΚΝΣ. Καταγραφή επί χάρτου του πεδίου του εγκεφάλου ή/και της παρεγκεφαλίδας που διεγείρεται, λέγεται χαρτογράφησή τους. Στην παρεγκεφαλίδα, ευρείες τέτοιες περιοχές λέγονται ζώνες. Όταν αυτές οι ζώνες είναι στενές, ονομάζονται μικροζώνες. Με τη χαρτογράφηση του εγκεφάλου ασχολήθηκε ο Brodmann. Ο Oscarsson έδειξε ότι τα κύτταρα Purkinje στέλνουν τους άξονές τους επιλεκτικά σε μικρούς σωρούς κυττάρων από τα εν τω βάθει. Τα μηνύματα που εξέρχονται από τα τελευταία είναι μίας και μόνο προέλευσης. Επιπλέον, οι άξονες των παρακειμένων καλαθοειδών κυττάρων είναι μακρύτεροι από κάθε άλλη κοντινή κατασκευή, υποχρεώνοντας, σαν «φράχτης-οδηγός», το σύνολο των πληροφοριών από έναν σωρό από τα εν τω βάθει κύττρα, να παραμένει εντός μιας και μόνο μικροζώνης. Οι πληροφορίες δηλαδή που έχουν δύο παράπλευρες μικροζώνες δεν είναι δυνατό να αναμειχθούν. Αυτό σημαίνει ότι η παρεγκεφαλίδα δεν μπορεί να δημιουργήσει από μόνη της, αυτοϋποστηριζόμενη, νευρική δραστηριότητα. Η δράση της άρα, συντονίζεται με τον ρυθμό του οργανισμού. Όπως οι Eccles, Ito και Szentagothai (1967, σ. 335) έγραψαν: «Η απουσία από το σχέδιο λειτουργίας κάθε δυνατότητας για νευρωνικές αλυσίδες που θα επαναλάμβαναν σήματα ή νευρική διέγερση (διπλανής μικροζώνης) είναι ένα μεγάλο πλεονέκτημα στη λειτουργία της ως υπολογιστή, γιατί αυτό που το λοιπό νευρικό σύστημα απαιτεί από την παρεγκεφαλίδα, δεν είναι κάποιο εξερχόμενο που να εκφράζει την ύπαρξη και λειτουργία «εντός της» κάποιου περίπλοκου συστήματος ελέγχου, αλλά μια γρήγορη και καθαρή απάντηση στα εισερχόμενα κάθε ειδικού συστήματος πληροφορίας» Ο Μεσεγκέφαλος Συνέχεια της γέφυρας προς τον φλοιό είναι ο μεσεγκέφαλος. Η αρχιτεκτονική του και οι λειτουργίες του, έχουν καταπληκτικές ομοιότητες με την αρχιτεκτονική και τη λειτουργία αντίστοιχων μερών του εγκεφάλου των πιο αρχαίων σπονδυλωτών. Η ντοπαμίνη, που παράγεται σ εμάς από τη μέλαινα ουσία, παράγεται στην ίδια περίπου περιοχή από παρόμοια κύτταρα και στα περισσότερα άλλα ζώα. Τα άνω διδύμια του 2

3 μεσεγκέφαλου είναι το μέρος εκείνο του εγκεφάλου, από το οποίο περνούν ίνες που αφορούν την όραση, την ακοή, τον έλεγχο των κινήσεων, τον ύπνο και τη θερμοκρασία. Στοιχεία που αφορούν το εγκεφαλικό στέλεχος: Α) Επάνω στη γέφυρα και τον μεσεγκέφαλο, ητοι περίπου στο εγκεφαλικό στέλεχος, υπάρχουν οι tegmental και basilar περιοχές. Αποτελούνται από κύτταρα που εκκρίνουν D2 ντοπαμίνη. Οι άξονές τους συνάπτονται με κύτταρα του επικλινούς πυρήνα. Αυτόματη ή ηλεκτρική διέγερση των κυττάρων αυτής της περιοχής, προκαλεί αισθήσεις που λέμε ότι είναι ευχάριστες, παρόμοιες με τις αισθήσεις του οργασμού. Τη σχέση της ενέργειας με τη γλώσσα (του πώς εκφραζόμαστε για να σημάνουμε δράσεις ενέργειας), θα την δούμε συζητώντας την πολυαισθητηριακή ολοκλήρωση. Αν ο επικλινής έχει κληρονομικά λίγους υποδοχείς, οι άνθρωποι που φέρουν τέτοιον επικλινή, δεδομένου ότι αυτός είναι το κέντρο των αμοιβών, γίνονται ανίκανοι να πάρουν απολαύσεις από τις λειτουργίες από τις οποίες παίρνουν απόλαυση οι «φυσιολογικοί» άνθρωποι, με αποτέλεσμα να αυξάνουν τις δόσεις των ηρεμιστικών που παίρνουν, ή/και να καταλήγουν αλκοολικοί, κοκαϊνομανείς, καταναγκαστικοί χαρτοπαίκτες κ.ά. Από τη μεριά της φύσης, λοιπόν, ο ρόλος αυτών των πυρήνων είναι εξισορροπητικός των αναγκών του οργανισμού. Β) Το εγκεφαλικό στέλεχος στα ερπετά, στα αμφίβια και σε κάποια από τα πρώτα θηλαστικά που εμφανίστηκαν στη ζωική αλυσίδα είναι μια περιοχή στην οποία εκδηλώνονται συχνά συγκινησιακές αντιδράσεις. Σε αυτά τα είδη όμως, οι αντιδράσεις σε συγκινήσεις είναι εν πολλοίς αντανακλαστικές. Οι δομές που εμπλέκονται στις αντιδράσεις αυτές είναι ο δικτυωτός σχηματισμός και ο locus coeruleus. Ο τελευταίος είναι μια πυκνή μάζα κυττάρων που εκκρίνουν νορεπινεφρίνη. Οι εν λόγω τόποι, όπως λιγότερο και το ραβδωτό σώμα, λειτουργούν ως αυτόνομα συγκινησιακά κέντρα, αλλά και ως μηχανισμοί ύπνου-εγρήγορσης (κυρίως ο δικτυωτός σχηματισμός) (Simon, 1997; Tortora & Derrickson, 2009; Saladin, 2012) Οι κιρκαδιανοί ρυθμοί Ακριβώς πάνω από το οπτικό χίασμα, στο σημείο που διασταυρώνονται τα νεύρα που πηγαίνουν από το αριστερό και δεξιό μας μάτι προς τον εγκέφαλο, υπάρχει μια μικρή μάζα κυττάρων που την ονομάζουμε υπερχιασματικό πυρήνα. Αυτός ο πυρήνας, αυτά τα λίγα κύτταρα, δίνουν τον τόνο που έχουν οι επαναλαμβανόμενοι ρυθμοί με τους οποίους ζούμε, οι κιρκαδιανοί. Το όνομα των εν λόγω ρυθμών προέρχεται από το λατινικό circa που σημαίνει κύκλος και diem που σημαίνει ημέρα. Οι ρυθμοί είναι λοιπόν κυκλικοί, εναλλαγής ύπνου-εγρήγορσης, διάρκειας είκοσι τεσσάρων (24) ωρών, ορίζονται από το DNA και ακολουθούν έναν κύκλο επανάληψης ωρών ηλιοφάνειας έναντι ωρών σκότους. Τους ρυθμούς αυτούς ακολουθούν και πολλά άλλα σπουδαία γεγονότα εκτός του ύπνου και του εξύπνου. Σήμερα πια ξέρουμε, ότι οι κινήσεις των φύλλων από αρμυρίκια που περιέγραψε ο Ανδροσθένης, ναύαρχος του Μεγάλου Αλέξανδρου, ότι κινούνταν κατά την αλλαγή ημέρας και νύχτας στο ταξίδι του κατά μήκος των ακτών της Ασίας, ήταν κιρκαδιανές. Παρόμοιες κινήσεις είναι αρκετά συχνές σε αρκετά φυτά και, καθώς ακολουθούν την αλλαγή του φωτός από νύχτα σε μέρα, ταυτίστηκαν με την ανατολή και τη δύση του ήλιου. Πρώτος έβαλε το φαινόμενο κάτω από επιστημονική παρατήρηση ο d Ortous de Mairan που δημοσίευσε το 1729 πειράματά του: Η «κίνηση» των φύλλων του φυτού Mimosa pudica συνεχίζονταν ακόμα κι όταν διατηρούσε τα φυτά συνεχώς στο σκοτάδι, είπε. Επομένως η κίνηση αυτή ήταν ανεξάρτητη από την έλευση του φωτός (Gardner et al., 2006). Διακόσια πενήντα περίπου χρόνια αργότερα, το 1971, οι Konopka και Benzer απομόνωσαν μετάλλαξη της μύγας των φρούτων Drosophila, η οποία, όπως είπαν, έφερε «γονίδιο χρόνου» (period gene). Το 1984 οι Takahashi et al. ανακάλυψαν στον ποντικό «γονίδιο ώρας» (clock gene). Οι Reppert και συνεργάτες αναφέρουν (1994) ότι ο άνθρωπος έχει υποδοχέα μελανίνης και ότι η μελανίνη είναι υπεύθυνη για τις κιρκαδιανές απαντήσεις μας, και, το 2001, οι Lee και συνεργάτες (της ομάδας Reppert) ανακοινώνουν ότι οι μηχανισμοί που ρυθμίζουν τα κιρκαδιανά είναι μετα-μεταφραστικοί. Τέλος, το 2010, οι Buhr et al., της ομάδας Τakahashi, ανακοίνωσαν ότι η θερμοκρασία ρυθμίζει τους κιρκαδιανούς ταλαντωτές των θηλαστικών. 3

4 10.3 Αρχίζοντας από την αρχή Θεωρητικά, το όλο πρόβλημα ανάγεται στη μέτρηση διάρκειας χρόνου. Αυτή μπορούμε να τη μετρήσουμε εάν ορίσουμε την «αρχή» και το «τέλος» κάποιων επαναλαμβανόμενων φαινομένων (Dunlap, Loros & DeCoursey, 2003; Koukkari & Sothern, 2006). Αυτό, όπως θα δούμε, γίνεται με τους υπερχιασματικούς πυρήνες (SupraChiasmatic Nuclei = SCN). Κάποιο φαινόμενο μιας εξωτερικά επαναλαμβανόμενης διαδικασίας (π.χ. η ανατολή) προκαλεί εσωτερικά ανάλογη διαδικασία, σύμφυτη με λειτουργίες των κυττάρων ή/και λειτουργίες του μεγαλοοργανισμού στον οποίο τα κύτταρα υπάρχουν. Το φαινόμενο αρχίζει με εξωτερική διαδικασία, διαρκεί όσο αυτή, ολοκληρώνεται όμως διαφορετικά εξωτερικά από ότι εσωτερικά. Τα ειδικά φωτοϋποδεκτικά γαγγλιακά κύτταρα που περιέχει ο αμφιβληστροειδής μας, διεγείρονται άμεσα από το φως, είναι δε άμεσα συνδεδεμένα και με τους SCN. Έτσι, η διέγερση των γαγγλιακών κυττάρων, συνεκπαιδεύει (entrains) ή μάλλον συμπαρασύρει τα κύτταρα του SCN στο να αποτελέσουν μέρος ενός μείζονος κιρκαδιανού ωρολογίου: τα γαγγλιακά κύτταρα του αμφιβληστροειδούς, περιέχουν μια ευαίσθητη στο φως χρωστική, την melanopsin, που μετατρέπεται με το που πέφτει επάνω της φως, παράγοντας εκτός της μετατροπής και ενέργεια. Το σήμα που παράγεται ακολουθεί την retinohypothalamic οδό, που οδηγεί στους υπερχιασματικούς πυρήνες SCN. Η διέγερση των κυττάρων του SCN αποτελεί την πρώτη στιγμή από την οποία και έπειτα τα κύτταρα μετρούν χρόνο. Βέβαια, τα κύτταρα δεν μετρούν. Γι αυτά περνάει κάποιος χρόνος που είναι απαραίτητος για να συνδεθούν δύο ουσίες και να παραχθεί νέα. Αλλά αντιλαμβάνονται (λέμε ανθρωπομετρικά) με τον δικό τους υλικό τρόπο τα γύρω τους επαναλαμβανόμενα φαινόμενα: ερεθίζονται ή καταστέλλονται απ αυτά. Οι διαδικασίες μελετήθηκαν στη Δροσόφιλα και είναι, με μικροπροσαρμογές, ίδιες και σε μας: μέσα στα SCN κύτταρα υπάρχουν τα γονίδια tim (timeless) και per (period) και οι πρωτεΐνες τους, ΤΙΜ και PER. Αυτές ορίζουν τη λειτουργία των γονιδίων που δίνουν τις εντολές για την ίδια τους την παραγωγή. Στην πραγματικότητα αυτό (τον ορισμό της λειτουργίας) το κάνει το ετεροδιμερές τους (heterodimer) ΤΙΜ/PER. Ξεκινάμε λοιπόν ας πούμε 3 η ώρα το πρωί. Ο σχηματισμός του ετεροδιμερούς γίνεται στο κυτταρόπλασμα, εκτός πυρήνα. Η δε ποσότητά του αυξάνεται μέχρι ενός σημείου κατά το οποίο αρχίζει να εισέρχεται στον πυρήνα. Αφού μπει, μπλοκάρει τους παράγοντες μεταγραφής CLK (clock) και CYC (cycle) που υπάρχουν γενετικά, και, η μεταγραφή του DNA που θα γινόταν κάποια στιγμή στη φάση S των κυττάρων, δεν προχωράει. Εν τω μεταξύ η Γη γυρίζει, στην περιοχή βγαίνει ο ήλιος, και με το φως, ξεκινά ταχεία αποδόμηση της πρωτεΐνης ΤΙΜ. Έτσι περισσεύει PER και, όταν αυτή αυξηθεί αρκετά, σταματά το μπλοκάρισμα της μεταγραφής που προερχόταν από τη διέγερση των CLK/CYC. Οπότε οι λειτουργίες του DNA ξαναρχίζουν. Αρχίζει παραγωγή του mrna των γονιδίων tim και per, που είναι ανεξάρτητα το ένα από το άλλο, πράγμα που κάποια στιγμή αρχίζει και την παραγωγή ετεροδιμερούς ΤΙΜ/PER στο κυτταρόπλασμα (Refinetti, 2006). Και πάλι από την αρχή! Ανάμεσα στην πρώτη και δεύτερη άνω παραγωγή-και-αποδόμηση των διαφόρων ουσιών, περνούν είκοσι τέσσερις (24) ώρες. Με αυτόν λοιπόν τον τρόπο δημιουργήθηκε ένα σύστημα, το οποίο με το που μπλοκάρεται-και-ξεμπλοκάρεται, μετράει διάρκεια ήτοι τον χρόνο κατά τον οποίο τα γονίδια ήταν μπλοκαρισμένα συν τον χρόνο κατά τον οποίο ήταν ελεύθερα. Και αυτός ο χρόνος είναι είκοσι τέσσερις (24) ώρες σε δύο δωδεκάωρα Κιρκαδιανοί ρυθμοί: Γιατί; Προχωρώ να δω γιατί μια διαδικασία όπως των κιρκαδιανών ρυθμών, που ξέρουμε πια ότι υπάρχουν μέσα μας, εμπλέκεται με τον κύκλο της ζωής. Κιρκαδιανοί ρυθμοί υπάρχουν σε όλη τη ζωντανή ύλη, ζώα, φυτά και μονοκύτταρους οργανισμούς. Σαν αποτέλεσμα έρχεται η σκέψη ότι δεν είναι απίθανο, οι ρυθμοί, αν τους δούμε σαν κάτι εμπλεκόμενο με την ύλη, να αποτελούν μεταλλάξεις που επικράτησαν στον κοινό παγκόσμιο πρόγονο όλων μας. Οι ρυθμοί αυτοί εμπλέκονται στον κύκλο ζωής με πολλούς και διάφορους τρόπους, που όλοι εξαρτώνται από την περιοδικότητα της εικοσιτετράωρης περιστροφής της γης γύρω από τον ήλιο. Αυτή καθορίζει την περίοδο. Η περίοδος χωρίζεται σε δύο υποφάσεις των δώδεκα περίπου ωρών που καθορίζονται από γονίδια, η λειτουργία των οποίων όλο και περισσότερο ανεξαρτητοποιείται από την ύπαρξη ηλιακού φωτός. Στο περιβάλλον μας όλο και περισσότερες ώρες υπάρχει τεχνητό φως. 4

5 Για την έμβια ύλη, το επαναλαμβανόμενο εξωτερικό φαινόμενο είναι η ανατολή του ήλιου. Στα διάφορα σημεία της γης, όμως, η ανατολή δεν γίνεται την ίδια ώρα. Άρα το επαναλαμβανόμενο φαινόμενο δεν πρέπει να είναι η ανατολή καθαυτή, αλλά άλλο, πιο σταθερό στη διάρκεια των επαναλήψεών του, π.χ. η περιστροφή της γης, που συνοδεύεται και από άλλα φαινόμενα, π.χ. ίσως διαφορές θερμοκρασίας άρα και θερμότητας (ενέργειας) ημέρας-νύχτας, έλλειψη ηλιακών (υπεριωδών) ακτινοβολιών τη νύχτα και ίσως και άλλα. Εδώ θα πρέπει να σκεφθούμε ότι τα πρώτα πολλά χρόνια από την εμφάνιση ζωής, η ζωντανή ύλη αποτελούνταν από μονοκύτταρους οργανισμούς χωρίς πυρήνα, και, οι μεταβολές ή/και η καταστροφή του DNA κάτω από την ισχυρή υπεριώδη ακτινοβολία που επικρατούσε την ημέρα, ήταν πολύ εύκολη. Αυτό συνέβαινε ιδιαίτερα κατά τη φάση της μεταγραφής. Με άλλα λόγια, DNA που μεταγραφόταν βράδυ, δεν καταστρεφόταν τόσο εύκολα όσο αυτό της ημέρας. Ίσως, λοιπόν, εγγραφές που έγιναν στο DNA βράδυ, να επικράτησαν Περιοδικότητα Αν υποθέσουμε ότι η περιοδικότητα δεν οφείλεται στην ανατολή του ήλιου, τότε πού; Σχετικά πρόσφατα, ερευνητές (Johnson & Xu, 2009) έβγαλαν τον «κεντρικό ταλαντωτή = μάζα ουσιών σχετική με τους κιρκαδιανούς ρυθμούς» από το σώμα κυανοβακτηριδίου, του Synechococcus elogatus, απομόνωσαν τις πρωτεΐνες που παρήγαγε και του τις έδιναν in vitro. Το κατασκεύασμα κρατούσε τους ρυθμούς του επί είκοσι δύο (22) ώρες για αρκετές ημέρες εάν προσέθεταν στα θρεπτικά υποστρώματα και ΑΤΡ (ενέργεια). Επίσης, αν κύτταρα από τους SCN αποσπαστούν από έναν μεγαλοοργανισμό και καλλιεργηθούν, διατηρούν τους ρυθμούς τους ανεξαρτήτως ύπαρξης ή όχι φωτός. Τα δυο αυτά πειράματα δείχνουν ότι η εγγραφή του χρόνου μέσα μας πιθανώς να μην ξεκίνησε από την περιοδικότητα μέρας-νύχτας αλλά από κάποια άλλη περιοδικότητα που δεν εξαρτάται από το φως. Μελέτες έδειξαν ότι ο μέσος όρος επανέναρξης του κιρκαδιανού κύκλου σε φυσιολογικούς, υγιείς ενήλικες όλων των ηλικιών και των δύο φύλων, ήταν είκοσι τέσσερις (24) ώρες και έντεκα (11) λεπτά, συν πλην δεκαέξι (16) δευτερόλεπτα. Αυτό συνδυάστηκε με τον χρόνο μιας περιστροφής της γης περί τον ήλιο, που βρέθηκε 24 ώρες. Άρα η περιοδικότητα με την οποία γυρίζει η γη γύρω από τον ήλιο ακολουθείται και από τα ζωντανά πλάσματα-κύτταρα. Η έρευνα έχει κάνει σήμερα γνωστό ότι μοριακά κιρκαδιανά ωρολόγια λειτουργούν μέσα σε κάθε κύτταρο. Το ρόλοι είναι αυτόνομο ανά κύτταρο. Συγχρόνως όμως, τα διάφορα κύτταρα επικοινωνούν μεταξύ τους καταλήγοντας σε ένα συγχρονισμένο ηλεκτρικό εξερχόμενο. Αυτό πλέον, μπορεί να αποτελέσει κοινό έδαφος συνάντησης με τους ενδοκρινείς αδένες του εγκεφάλου και μπορεί να καταλήξει σε περιοδικές απελευθερώσεις ορμονών. Οι υποδοχείς αυτών των ορμονών βρίσκονται πιθανόν μακριά από τον τόπο παραγωγής τους, αλλά συγχρονίζουν τα ωρολόγια διαφόρων οργάνων. Έτσι, η πληροφορία περί του χρόνου της ημέρας δίδεται μεν από τα μάτια, ταξιδεύει όμως στο ρολόι του εγκεφάλου, και μέσω αυτού συγχρονίζονται τα ωρολόγια που βρίσκονται στα διάφορα μέρη του σώματος. Αυτός είναι ο τρόπος με τον οποίο συνδυάζονται και ελέγχονται πείνα, όρεξη, ύπνος, εγρήγορση και θερμοκρασία σώματος (Nagoshi et al., 2004). Με τον τρόπο αυτόν «μαθαίνει» κανείς ότι ο ίδιος δρα, θέλοντας και μη, κάτω από προδιαγραφές που ορίστηκαν εδώ και εκατομμύρια χρόνια. Οι SCN, πάντως, μαζί με τον υποθάλαμο, ρυθμίζουν μέσω μηχανισμών που ρυθμίζουν κιρκαδιανούς ρυθμούς, και εποχικούς ρυθμούς Οι εποχικοί ρυθμοί Σ αυτό το πλαίσιο εντάσσεται η SAD (Seasonal Affective Disorder ή εποχιακή συγκινησιακή ανωμαλία), μία κατάσταση που χωρίς εμφανή αιτία προκαλεί διαταραχές ύπνου, ανορεξία, μυϊκή αδυναμία, απώλεια του ενδιαφέροντος για δουλειά, απώλεια του libido, κατάθλιψη, βουλιμία για γλυκά κ.ά. Όλα τα παραπάνω εξηγήθηκαν αφού διαπιστώθηκε ότι οι πρωτεΐνες του (κιρκαδιανού) ρολογιού ανάβουν και σβήνουν και το γονίδιο παραγωγής (ήτοι εισάγουν την παραγωγή) της αντιδιουρητικής ορμόνης. Για την ορμόνη αυτή, ήταν γνωστό ότι πλην των άλλων της δράσεων εμπλέκεται και στη ρύθμιση των κύκλων ανάπαυσης και δραστηριότητας. Σύντομα άρχισε συζήτηση για φωτοπεριοδικότητα και για διαφορετική απαίτηση ενέργειας κατά περιόδους, ώστε ο οργανισμός να λειτουργεί οικονομικά όλες τις ώρες, κατά τη διάρκεια της νύχτας αλλά και της ημέρας (Foster & Kreitzman, 2004; Johnson, 2004). Με ποια όμως συγκεκριμένα βήματα γίνεται αυτό; Από παλιά είχαν γίνει πειράματα με την επίφυση: Οι ερευνητές κράτησαν ζώα αμέσως μετά τη γέννησή τους συνεχώς στο σκότος και παρατήρησαν ότι ανεστάλη η ανάπτυξη και του σώματός τους και των 5

6 γεννητικών τους οργάνων. Αν όμως αφαιρούσαν από τα ζώα την επίφυση ή έκοβαν τις συμπαθητικές ίνες που κατέληγαν στην επίφυση, η ανασταλτική επίδραση του σκότους δεν εκδηλωνόταν. Παράλληλα υπήρχε η γνώση ότι η μελατονίνη εμπλέκεται με τη σεροτονίνη στη σύνθεση της τελευταίας, ο ρόλος της οποίας στην κατάθλιψη είναι κεντρικός. Από την άλλη, ήδη ξέραμε ότι η επίφυση σχετίζεται με το μεταιχμιακό σύστημα, σημαντικό όργανο του οποίου είναι η αμυγδαλή, που ελέγχει με τον φόβο τη συμπεριφορά μας. Όλα αυτά συνδέθηκαν στο μυαλό του ψυχιάτρου Norman E. Rosenthal και ήδη από το 1984 (Rosenthal et al.) ανακοίνωσε θεραπεία αρρώστου από υποτροπιάζουσα εποχική κατάθλιψη, με φως! 6

7 Βιβλιογραφικές Αναφορές Anatomy and Physiology of the Brain and the Spinal Chord. Canadian Cancer Society website: Apps, R. & Garwicz, Μ. (2005). Anatomical and physiological foundations of cerebellar information processing. Nature Reviews Neuroscience, 6: Buhr, E. D., Yοο, S. H., Takahashi, J. S. (2010). Temperature as a Universal resetting cue for mammalian circadian oscillators. Science, 330 (6002): Dunlap, J. C., Loros, J., DeCoursey, P. J. (2003). Chronobiology: Biological Timekeeping. Sunderland, MA: Sinauer. Eccles, J. C., Ito, Μ., Szentagothai, J. (1967). The Cerebellum as a Neuronal Machine. Berlin, Heidelberg, New York: Springer Verlag. Foster, R. & Kreitzman, L. (2004). The Rhythms Of Life: The Biological Clocks That Control the Daily Lives of Every Living Thing. London, UK: Profile Books. Gardner, M. J., Hubbard, K. E., Hotta, C. T., Dodd, A. N., Webb, A. A. (2006). How plants tell the time. Biochem. J. 397 (1): Johnson, C. (2004). Chronobiology: Biological Timekeeping. Sunderland, MA: Sinauer Associates, Inc. Johnson, C. H. & Xu, Y. (2009) The Decade of Discovery: How Synechococcus elongatus became a model circadian system In: Bacterial Circadian Programs, Ditty, J. L., Mackey, S. R., Johnson, C. H., (eds.). Chapter 4 (pp ). Berlin: Springer. Kandel, E. R., Schwartz, J. H., Jessel, T. M. (2000). Principles of Neural Science. New York: McGraw-Hill Professional. Konopka, R. J. & Benzer, S. (1971). Clock mutants of Drosophila melanogaster. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 68 (9): Koukkari, W. L. & Sothern, R. B. (2006). Introducing Biological Rhythms. New York: Springer. Lee, C., Etchegaray, J. P., Cagampang, F. R. A., Loudon, A. S. I., Reppert, S. M. (2001). Posttranslational Mechanisms Regulate the Mammalian Circadian Clock. Cell. 107 (7): Nagoshi, Ε., Saini, C., Bauer., C., Laroche, Τ., Naef, F., Schibler, U. (2004). Circadian Gene Expression in Individual Fibroblasts: Cell-Autonomous and Self-Sustained Oscillators Pass Time to Daughter Cells. Cell, 119: Oscarsson, O. (1979). Functional units of the cerebellum - sagittal zones and microzones. Trends in Neurosciences, 2: Parent, A. & Carpenter, M. B. (1995). Human neuroanatomy. Baltimore: Williams & Wilkins. Refinetti, R. (2006). Circadian Physiology, 2nd ed. Boca Raton, FL: CRC Press. Reppert, S. M., Weaver, D. R., Ebisawa, Τ. (1994). CIoning and Characterization of a mammalian melatonin receptor that mediates reproductive and circadian responses. Neuron 13 (5):

8 Rosenthal, N. E., Sack, D. A., Gillin, J. C., Lewy, A. J., Goodwin, F. K., Davenport, Y., Mueller, P. S., Newsome, D. A., Wehr, T. A. (1984). Seasonal affective disorder. A description of the syndrome and preliminary findings with light therapy. Arch. Gen. Psychiatry, 41(1): Saladin, K. S. (2012). Anatomy and Physiology: The Unity of Form and Function. 6th Ed. New York: McGraw Hill. Simon, S. (1997). The brain: our nervous system. New York: Morrow Junior Books. Takahashi, J. S., DeCoursey, P. J., Brauman, L., Menakev, Μ. (1984). Spectral Sensitivity of a novel photoreceptive system mediating entrainment of mammalian circadian rhythms. Nature, 308 (5955): Tortora, G. J. & Derrickson, B. H. (2009). Principles of Anatomy and Physiology, 12th Ed. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons. Κριτήρια αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης 1 Εξηγήστε τη λειτουργία των κιρκαδιανών ρυθμών στους έμβιους οργανισμούς. Κριτήριο αξιολόγησης 2 Περιγράψτε το εγκεφαλικό στέλεχος και την παρεγκεφαλίδα. 8