ナトリウムは、興奮性のGABA作動経路を介して時計の時間と出力を調節します

Sodium regulates clock time and output via an excitatory GABAergic pathway.

• Claire Gizowski
• Charles W Bourque

抄録

視交叉上核（SCN）は、24時間昼夜サイクルを通して変化する要件を見越して生理や行動の変化を適応的に調整する体のマスターサーカディアンクロックとして機能します。例えば、SCNは、睡眠前に水分摂取を促進し、抗利尿ホルモンの分泌を促進し、睡眠中の水分損失を減らすために体温を下げることで、一晩中のアディプシアに対抗します。これらの反応はまた、活動期の間にオスモ-ナトリウムの予定外の上昇に反対するために、中枢のオスモ-ナトリウムセンサーによって駆動されることができます。しかし、塩分濃度センサーがホメオスタティック応答を駆動するために時計出力ネットワークを必要とするかどうかは不明である。ここでは、Zeitgeber時間19（SCN（バソプレシン）ニューロンが非活動状態にある時間）に全身的に塩を注入（高張性生理食塩水）すると、SCNニューロンが興奮し、非戦慄熱発生（NST）と体温が低下することを示した。NSTと体温に対する高張性生理食塩水の効果は、SCNニューロンのケモジェニック阻害によって阻止され、生体内でのSCNニューロンのオプトジェニック刺激によって模倣された。解剖学的実験と電気生理学的実験を組み合わせた結果、グルタミン酸脱炭酸酵素(OVLT)を発現するOSMO-Sodium-sensing organum vasculosum lamina terminalis (OVLT)ニューロンが、γ-アミノ酪酸(GABA)の興奮作用を介してSCNニューロンに情報を伝達することが明らかになった。OVLTニューロン軸索末端の光遺伝学的活性化は、in vitroでSCNニューロンを興奮させ、in vivoでのNSTと体温に対する高張性生理食塩水の効果を模倣した。さらに、OVLTニューロンのケモジェニック阻害は、全身性高張性生理食塩水のNSTと体温に対する効果を鈍化させた。最後に、高張性生理食塩水はマウスの概日運動活動の開始を有意に位相的に促進することを示した。この効果は、OVLT→SCN経路の光遺伝的活性化によって模倣され、OVLTニューロンの化学遺伝的阻害によって阻止された。以上のことから、我々の知見は、生理的に関連性のない非病的な合図によって時計の時間が制御され、そのような合図が時計出力ネットワークを介して予定外の恒常性応答を駆動することを実証するものである。

The suprachiasmatic nucleus (SCN) serves as the body's master circadian clock that adaptively coordinates changes in physiology and behaviour in anticipation of changing requirements throughout the 24-h day-night cycle. For example, the SCN opposes overnight adipsia by driving water intake before sleep, and by driving the secretion of anti-diuretic hormone and lowering body temperature to reduce water loss during sleep. These responses can also be driven by central osmo-sodium sensors to oppose an unscheduled rise in osmolality during the active phase. However, it is unknown whether osmo-sodium sensors require clock-output networks to drive homeostatic responses. Here we show that a systemic salt injection (hypertonic saline) given at Zeitgeber time 19-a time at which SCN (vasopressin) neurons are inactive-excited SCN neurons and decreased non-shivering thermogenesis (NST) and body temperature. The effects of hypertonic saline on NST and body temperature were prevented by chemogenetic inhibition of SCN neurons and mimicked by optogenetic stimulation of SCN neurons in vivo. Combined anatomical and electrophysiological experiments revealed that osmo-sodium-sensing organum vasculosum lamina terminalis (OVLT) neurons expressing glutamic acid decarboxylase (OVLT) relay this information to SCN neurons via an excitatory effect of γ-aminobutyric acid (GABA). Optogenetic activation of OVLT neuron axon terminals excited SCN neurons in vitro and mimicked the effects of hypertonic saline on NST and body temperature in vivo. Furthermore, chemogenetic inhibition of OVLT neurons blunted the effects of systemic hypertonic saline on NST and body temperature. Finally, we show that hypertonic saline significantly phase-advanced the circadian locomotor activity onset of mice. This effect was mimicked by optogenetic activation of the OVLT→ SCN pathway and was prevented by chemogenetic inhibition of OVLT neurons. Collectively, our findings provide demonstration that clock time can be regulated by non-photic physiologically relevant cues, and that such cues can drive unscheduled homeostatic responses via clock-output networks.