Większość procesów zachodzących w organizmach ludzi i innych zwierząt podlega cyklicznym zmianom, zwanym rytmami biologicznymi. Rytm okołodobowy oznacza regularne zmiany w aktywności fizycznej i psychicznej, w zależności od pory doby. W uproszczeniu polega to na tym, że w ciągu dnia ciało gotowe jest do pracy, natomiast noc to dla niego czas odpoczynku i regeneracji. Prawidłowy przebieg rytmu okołodobowego zależy w dużej mierze od wydzielania hormonów o odpowiednich porach. W godzinach porannych np. nadnercza uwalniają znaczne ilości glikokortykoidów. Mimo że często kojarzone z reakcją stresową, są one także niezbędne, aby pomóc organizmowi przygotować się do wysiłku. Zaczynają być wydzielane, gdy dojdzie do pobudzenia osi podwzgórze-przysadka-nadnercza. Oś ta bierze początek w jądrze przykomorowym podwzgórza (PVN, ang. paraventricular nucleus). Wytwarzana jest tam kortykoliberyna, która pobudza przysadkę mózgową do wydzielania adrenokortykotropiny, a ten związek stymuluje następnie nadnercza do uwalniania glikokortykoidów.
Od lat wiadomo, że głównym regulatorem rytmów okołodobowych jest niewielkie jądro znajdujące się w obrębie podwzgórza – jądro nadskrzyżowaniowe (SCN, ang. suprachiasmatic nucleus). Wyniki poprzednich badań naukowych wskazują, że neurony SCN produkujące wazoaktywny peptyd jelitowy są szczególnie ważne dla utrzymania dobowego rytmu wydzielania glikokortykoidów. Dotąd nie zbadano dokładnie, czy i jak oddziałują one na komórki PVN dające początek osi podwzgórze-przysadka-gonady. Nie wiadomo również, czy to od współpracy tych dwóch jąder zależy zwiększone wydzielanie glikokortykoidów w godzinach porannych. Tym temat postanowili zająć się naukowcy z Washington University oraz Texas A&M University.
Po pierwsze, badacze musieli sprawdzić, czy komórki PVN mogą odbierać sygnały przesyłane z SCN za pomocą wazoaktywnego peptydu jelitowego. W tym celu wykonali barwienia immunohistochemiczne na skrawkach mózgowych pobranych od myszy. Wybarwiali zakończenia włókien nerwowych, z których uwalniany jest wazoaktywny peptyd jelitowy oraz receptory dla tego hormonu. Po drugie, postanowili zbadać, czy neurony SCN wpływają na aktywność komórek nerwowych PVN. Wykorzystali do tego genetycznie zmodyfikowane myszy. Do ich genomu wprowadzili nowe sekwencje, takie aby neurony SCN tych zwierząt wykazywały ekspresję światłoczułych białek. Dzięki obecności tych cząsteczek naukowcy mogli pobudzać bądź hamować wspomniane komórki nerwowe.
Tak więc za pomocą wiązki światła, naukowcy pobudzali bądź hamowali neurony w obrębie SCN dokładnie w porze, kiedy u myszy dochodzi do największego wydzielania glikokortykoidów. Aby sprawdzić, jak te manipulacje wpłynęły na wydzielanie wspomnianych hormonów, oznaczali poziom glikokortykoidów w kale zwierząt. Przed, podczas i po stymulacji neuronów SCN naukowcy badali również zmiany zaistniałe wewnątrz neuronów budujących PVN. Mierzyli m.in. zmiany stężenia wapnia wewnątrz komórek nerwowych tej struktury, co pozwoliło na określenie, czy komórki uległy pobudzeniu czy nie.
Okazało się, że neurony PVN dające początek osi podwzgórze-przysadka-gonady wykazują wysoką ekspresję receptorów dla wazoaktywnego peptydu jelitowego. Badacze udowodnili też, że wspomniany hormon wydzielany jest na zakończeniach nerwowych docierających z SCN do PVN. Oznacza to, że pomiędzy tymi dwoma grupami neuronów zachodzi komunikacja za pomocą tego konkretnego neuroprzekaźnika. Stymulowanie komórek SCN doprowadziło do znacznego spadku stężenia glikokortykoidów w kale zwierząt w czasie, gdy stężenie tych hormonów powinno być największe w ciągu doby. Z kolei hamowanie aktywności tych komórek nie miało znaczącego wpływu na wydzielanie glikokortykoidów. Aktywacja komórek SCN doprowadziła także do zmniejszenia stężenia wapnia w większości komórek PVN produkujących kortykoliberynę, co wskazuje na zmniejszenie ich pobudzenia.
Uzyskane wyniki sugerują, że wydzielanie wazoaktywnego peptydu jelitowego przez neurony SCN nie działa na neurony wytwarzające kortykoliberynę stymulująco, ale hamująco. Istnieje możliwość, że aktywność określonych neuronów SCN spada o odpowiednich godzinach, aby neurony PVN zaczęły intensywnie wydzielać kortykoliberynę. Inny scenariusz zakłada istnienie dodatkowego rodzaju sygnałów płynących z SCN do PVN, które z kolei pobudzają neurony tego jądra do produkcji kortykoliberyny. W każdym razie dane otrzymane przez naukowców ze Stanów Zjednoczonych świadczą o tym, że istnieje obwód neuronalny pomiędzy komórki SCN a PVN, który kształtuje profil wydzielania glikokortykoidów w ciągu doby.
Naukowcy wspominają, że poznanie mechanizmu ustalania rytmu okołodobowego pozwoli w przyszłości przeciwdziałać jego zaburzeniom, które mogą doprowadzić do chorób metabolicznych czy depresji.
