การค้นพบใหม่แสดงให้เห็นว่านาฬิกาชีวิตทำให้ร่างกายติ๊กได้อย่างไร
เวลาคือทุกสิ่ง แค่ถามนักแสดงตลก ศิลปินห้อยโหน โรมิโอและจูเลียต 20รับ100 หรือแทบทุกเซลล์ในร่างกายของคุณการฟ้องภายในเซลล์เกือบทั้งหมดเป็นนาฬิกาขนาดเล็กที่ประกอบด้วยเฟืองโปรตีน นักวิทยาศาสตร์ทราบดีว่านาฬิการะดับโมเลกุลเหล่านี้ควบคุมจังหวะชีวิตในแต่ละวัน ตั้งแต่ช่วงเวลารับประทานอาหารและก่อนนอน ไปจนถึงระดับฮอร์โมนที่เพิ่มขึ้นและลดลง อุณหภูมิร่างกาย และความดันโลหิต การวิจัยใหม่แสดงให้เห็นว่านาฬิกาชีวิตอย่างที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่านาฬิกาบอกเวลารายวันทำมากกว่าแค่ควบคุมตารางเวลาในแต่ละวัน
นักวิทยาศาสตร์บางคนกล่าวว่านาฬิกาดังกล่าวมีศักยภาพที่จะมีบทบาทในเกือบทุกหน้าที่ทางชีววิทยา การศึกษาแบคทีเรีย สัตว์ฟันแทะ และแมลงวันผลไม้ ชี้ว่านาฬิกาชีวิตอาจจับเวลากระบวนการที่หลากหลายพอๆ กับการแบ่งเซลล์และการแก่ชรา “เมื่อคุณเริ่มถามว่า ‘นาฬิกาควบคุมอะไร’ คุณต้องพูดว่า ‘ทุกอย่าง’” Erik Herzog นักชีววิทยาจากมหาวิทยาลัยวอชิงตันในเซนต์หลุยส์กล่าว
ข้อมูลเชิงลึกใหม่บางส่วนมาจากการศึกษานาฬิกาต้นแบบของสมอง ซึ่งเป็นโครงสร้างคู่หนึ่งที่เรียกว่านิวเคลียสซูปราเคียสมาติก หรือ SCN ที่กำหนดจังหวะในแต่ละวันของร่างกาย งานอื่น ๆ แสดงให้เห็นว่า SCN ไม่ใช่นาฬิกาเสาหินเดียว แต่เป็นชุดของโหนดที่สัมพันธ์กันซึ่งช่วยประสานนาฬิกาทั่วร่างกาย และยังมีนักวิจัยคนอื่นๆ ที่พบว่า SCN อาจไม่ได้เป็นผู้ชี้ขาดสูงสุดของเวลาของร่างกายด้วยซ้ำ และอวัยวะอื่นๆ ควบคุมจังหวะทางชีวภาพด้วยตัวเองโดยไม่ได้รับความช่วยเหลือจาก SCN มากนัก หากมี
คำสั่งเจ้านาย
เป็นเวลาหลายทศวรรษที่ SCN ครองอำนาจสูงสุดในด้านความเข้าใจของนักวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับนาฬิกาชีวิต มีเซลล์ประสาทเพียง 20, 000 เซลล์ที่สร้างโครงสร้าง – หนึ่งเซลล์อยู่แต่ละด้านของสมอง – แต่เซลล์สมองจำนวนน้อยก็เพียงพอที่จะกำหนดจังหวะรายวันสำหรับทั้งร่างกาย ราวกับว่าผู้อยู่อาศัยในเมืองเล็ก ๆ ในนิวอิงแลนด์กำหนดตารางเวลาของทุกคนบนโลกแล้วบางส่วน
“ฉันคิดว่า SCN เป็นนาฬิกาอะตอมในเครือข่าย ATM นี้” Herzog กล่าว แต่ละเซลล์ของร่างกายมีนาฬิกาของตัวเอง เช่นเดียวกับเครื่องกดเงินสดแต่ละเครื่อง และนาฬิกาที่ต่อพ่วงเหล่านั้นจะตรวจสอบกับตัวจับเวลาส่วนกลางเป็นระยะเพื่อให้ซิงโครไนซ์อยู่เสมอ
จังหวะของ SCN ถูกกำหนดโดยแสงเป็นหลัก เนื่องจากเซลล์พิเศษในเรตินาถ่ายทอดข้อความไปยังสมองเมื่อรับรู้ถึงแสงแดด สัญญาณแสงส่งผลต่อเกียร์ของนาฬิกาโมเลกุลภายในเซลล์ประสาทของ SCN ซึ่งจะควบคุมอัตราการยิงของเซลล์ ซึ่งเป็นความถี่ที่เซลล์ประสาทจะส่งสัญญาณไฟฟ้าไปยังเซลล์สมองอื่นๆ
“เรารู้ว่านาฬิกาอยู่ที่นั่น [ในสมอง] เราทราบอัตราการยิงที่แตกต่างกัน เราได้เรียนรู้มากมายเกี่ยวกับยีนที่ควบคุมการทำงานของนาฬิกา แต่ไม่มีสิ่งใดบอกเราว่านาฬิกาควบคุมสิ่งใดได้อย่างไร” Charles Bourque นักประสาทวิทยาจากมหาวิทยาลัย McGill ในมอนทรีออลกล่าว
เพื่อช่วยจัดการกับคำถามนั้น ทีมของ Bourque ได้ถอดรหัสข้อความทางเคมีบางส่วนที่ SCN ใช้เพื่อควบคุมจังหวะการทำงานของชีวิตที่ช่วยให้ร่างกายไม่ขาดน้ำระหว่างการนอนหลับ
หนึ่งในการป้องกันหลักของร่างกายต่อภาวะขาดน้ำคือฮอร์โมนที่เรียกว่าวาโซเพรสซิน ซึ่งส่งสัญญาณให้ไตกักเก็บน้ำ นักวิทยาศาสตร์ทราบมาหลายปีแล้วว่าฮอร์โมนถูกปล่อยออกมาเมื่อสิ้นสุดระยะเวลาการนอนหลับโดยเซลล์ประสาทในนิวเคลียสซูปราออปติก ซึ่งเป็นกลุ่มของเซลล์ในมลรัฐไฮโปทาลามัสซึ่งอยู่ห่างจาก SCN เพียงไม่กี่มิลลิเมตร และนักวิจัยยังพบว่าเมื่อคนหรือสัตว์ตื่นขึ้น เซลล์ประสาทในโครงสร้างใกล้เคียงอื่นที่เรียกว่าออร์กานัม vasculosum lamina terminalis หรือ OVLT จะรับรู้ถึงการสูญเสียน้ำและส่งสัญญาณการหลั่งของวาโซเพรสซิน และทำให้เกิดความกระหาย แต่ไม่มีใครรู้ว่านาฬิกาสมองกำหนดเวลาการหลั่งวาโซเพรสซินระหว่างการนอนหลับได้อย่างไร
ปรากฎว่าเซลล์ SCN ใช้ vasopressin เพื่อช่วยควบคุมการหลั่งฮอร์โมนของตัวเองระหว่างการนอนหลับ Eric Trudel เพื่อนร่วมงานของ Bourque และ McGill ค้นพบ นักวิจัยได้นำชิ้นบาง ๆ ออกจากไฮโปทาลามัสของหนูที่มี SCN, นิวเคลียสของซูปราออปติก และ OVLT ทั้งหมดเข้าด้วยกัน ทีมงานได้บันทึกและจัดการกิจกรรมทางไฟฟ้าในบริเวณสมอง และพบว่าเมื่ออัตราการยิงของเซลล์ประสาทนาฬิกาสูง การสื่อสารระหว่าง OVLT และนิวเคลียส supraoptic จะลดลง ในทางกลับกัน เมื่อเซลล์ประสาทนาฬิกาสงบลง เช่นเดียวกับที่ทำเมื่อสิ้นสุดระยะเวลาการนอนหลับ การสื่อสารระหว่างส่วนอื่นๆ ของสมองก็แข็งแกร่งขึ้น
นักวิจัยสรุปว่าสารเคมีในสมองบางชนิดที่ปล่อยออกมาจาก SCN ขัดขวางการสื่อสารระหว่างกลุ่มเซลล์ประสาทอีก 2 กลุ่มเป็นส่วนใหญ่ในขณะที่หนูกำลังหลับ ทีมวิจัยรายงานออนไลน์วันที่ 28 กุมภาพันธ์ใน Nature Neuroscienceการกำจัดสารเคมีอื่นๆ ที่บ่งชี้ว่าต้องเป็นวาโซเพรสซินที่ทำงานร่วมกับสารอื่นที่ยังไม่สามารถระบุได้ Vasopressin สร้างขึ้นโดยเซลล์ประสาท SCN ประมาณหนึ่งในสาม
นอกจาก vasopressin แล้ว นักวิทยาศาสตร์ยังเคยพบเห็นสารลึกลับที่นาฬิกาหลักหลั่งออกมามาระยะหนึ่งแล้ว เมื่อนักวิจัยย้าย SCN จากหนูที่มีนาฬิกาทำงานไปยังอีกตัวหนึ่งที่นาฬิกาถูกปิดใช้งาน นาฬิกาใหม่สามารถกำหนดจังหวะของ circadian ได้ แม้ว่าจะไม่ได้เชื่อมต่อกับเครื่องกระตุ้นหัวใจแบบเดิมของสัตว์ก็ตาม นั่นบอกนักวิทยาศาสตร์ว่า SCN จะต้องให้สารซิงโครไนซ์บางอย่างที่กระจายและควบคุมวงจรสมองอื่นๆ นักประสาทวิทยา Rae Silver จากมหาวิทยาลัยโคลัมเบียและวิทยาลัยบาร์นาร์ดในนิวยอร์กซิตี้กล่าว 20รับ100
