昼行侠or夜行侠？看看神经元怎么说
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吾|乃|夜|行|侠
大多数人都是昼行侠，他们通常白天醒着，晚上睡觉。然而，对许多其他动物来说却不是这样，它们享受夜生活，白天休息。
那么大脑是如何决定我们是夜行侠还是昼行侠的呢？
图片来源于网络
许多生理过程，如清醒或睡眠，是与白昼和黑夜同步的。这些活动由称为生物钟的分子振荡器调节，由基因转录和蛋白质翻译的正反馈和负反馈回路组成，以大约24小时为周期发生。就像管弦乐队的乐器一样，这些遍布身体各处的时钟发出的滴滴答答声必须被协调起来，以协调不同器官的活动。
在哺乳动物中，指挥这首交响乐的是主生物钟，它位于视交叉上核(SCN)，这是大脑中一个叫做下丘脑的区域，由大约2万个神经元组成。SCN中的每个神经元将其电活动与昼夜循环相结合，最终产生有节奏的输入，身体也会听从指挥。
目前关于这些神经元以及它们如何同步的大部分知识都来自于对夜行啮齿类动物的研究，比如老鼠、大鼠和仓鼠。在昼行物种中，只有来自整个SCN的记录是可用的。但令人惊讶的是，这些数据表明，昼行动物和夜行动物的主生物钟神经元具有相似的分子振荡和电特性。
然而，这些记录中缺少单个神经元的信息，这限制了我们对细胞特异性机制的理解，这些机制可能决定动物是夜间活动的还是白天活动的。Robert Lucas，Casey Diekman和Mino Belle研究者们，报告了昼行四条纹小鼠中单个SCN神经元的电特性。
首先，研究小组使用了一种叫做全细胞膜片钳位技术记录了单个神经元的电活动。这表明，像夜行动物一样，昼行动物SCN中的单个神经元在白天比在晚上更容易兴奋和活跃（图1）。
图1.具有独特性的神经元调节视交叉上核(SCN)的兴奋性以适应日常生活方式。
这表明昼行动物和夜行动物都使用相似的机制在大脑中产生节律，而不管它们什么时候开始活动。此外，纹鼠的SCN神经元对兴奋性电刺激作出反应，刺激会消散膜电位(静止状态下约为70 mV)，并触发动作电位，将信号传递给下游神经元，类似于夜行啮齿动物的SCN神经元。
然而，Bano-Otalora等人发现，一些神经元显示出一种奇特的电行为，这在夜行动物的SCN中没有观察到。抑制性刺激是一种使神经元的膜电位更负，使动作电位更难触发，并减少下游神经元的活动的刺激。当这种类型的刺激作用于昼行纹鼠的SCN时，三分之一的神经元表现出长时间的休息，在此期间它们无法兴奋，从而使新的动作电位延迟(图1)。
有趣的是，这些神经元在白天并没有发生变化，这表明它们的行为并不是昼夜环境变化的结果，而是该神经元的一个特定特征。Bano-Otalora等人提出这种神经元的存在可能对哺乳动物在白天的生活至关重要：在白天，这些神经元会对长时间的强光变得不敏感；而晚上，抑制信号的作用被放大，激活SCN需要更强的刺激。
但是这些神经元是如何延迟其放电的呢？为了克服直接研究调节神经元活动的各种离子通道复杂动力学特性的挑战，Bano-Otalora等人创建了纹鼠SCN神经元的计算模型。该算法是利用先前实验中描述的SCN神经元主要电特性的信息设计的。在不同的条件下运行，使Bano-Otalora等人能够确定SCN神经元需要表现出什么样的特性来匹配实验结果。通过这种方法，研究者们发现了一个特定的钾离子通道的活性，这可能有助于解释在特定SCN神经元中观察到的神经元活动的延迟现象。
这些钾离子通道缓慢关闭，当它们关闭时产生的电流可以延长不应期(神经元准备再次兴奋所需要的时间)，防止快速地再次激活。有趣的是，这个通道的活动被认为可以延迟夜行动物大脑其他区域的神经元放电，而不是SCN区域，这表明这是昼行动物的独特属性。为了通过实验证实SCN模型的预测，Bano-Otalora等人用一种抑制钾离子通道的药物处理纹鼠的SCN膜片。这导致“懒惰”神经元的行为与SCN中其他神经元一样，并没有延迟放电。
这些结果表明，具有特殊电流的SCN中的神经元为SCN的兴奋性提供了一个稳定的“刹车”，潜在地允许这些细胞变得对日光不敏感，并降低它们在夜间激活其他神经元的可能性。Bano-Otalora等人的发现首次提供了对昼行动物大脑神经元调节的机械论见解。在这种情况下，调节主生物钟内神经元的兴奋性似乎是适应白天生活方式的关键。然而，目前还不清楚是什么机制在白天和晚上分别切换醒觉和睡眠，使得动物能够利用这种新发现的大脑特征。
原文：How neurons adjust to diurnality?
https://doi.org/10.7554/eLife.74704
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