Science里程碑式成果：代谢决定大脑钟摆

这项革新原有理论的研究最根本的发现在于，大脑的时序区域中存在代谢产物的固有振荡，这无需外部的干预。而这种在代谢上的变化决定了大脑哪个部位该兴奋。

　　

生物通报道：生命节奏是由昼夜周期驱动的，大多数生物体内细胞中都有一种常见的，约为24小时的节拍规律。在动物中，这样的节奏产自大脑中的一个小结构——下丘脑的视交叉上核（suprachiasmatic nucleus SCN）。如果将这个结构从大脑中取出，放置于实验室培养皿中培养，这个“大脑时钟”仍然能继续滴答，一天又一天的在每天的固定时间点，调控某些蛋白质表达量的增加或者减少。

一项新的研究表明，大脑时钟部分是由细胞内代谢驱动的，即细胞中化学能量流和产物。研究人员主要集中在大鼠和小鼠的大脑组织中，一种被称为“氧化还原”（SCN）的现象上。

氧化还原代表了细胞新陈代谢的能量变化（通常是通过电子的转移）。当一个分子获得一个或多个电子时，科学家们就会称之为还原反应，当失去电子时，这个分子就被称为被氧化。研究人员发现这些氧化还原反应，会在大脑时钟中有一个24小时的周期振荡，打开和关闭的脑细胞之间的交流通道。

这项革新理论的研究发现公布在Science杂志上，同期杂志还以“Circadian Time Redoxed”为题，介绍了这项研究。

“大脑的语言就是电荷，这决定了是哪一种大脑信号被传递给附近的其他细胞，以及大脑邻近的其它部分，”文章通讯作者，伊利诺斯大学细胞与发育生物学教授Martha Gillette说，“这项研究最根本的发现在于，大脑的时序区域中存在代谢产物的固有振荡，这无需外部的干预。而这种在代谢上的变化决定了大脑哪个部位该兴奋。”

Gillette表示，这一新研究结果改变了原有关于大脑是如何工作的基础假设。

“一般认为代谢能服务于大脑功能。而我们的发现指出代谢是大脑功能的一部分，“她说，“我们的研究表明，细胞代谢状态的变化可能是神经元活性的原因，而不是结果。”

这一研究小组成员还包括研究生余言迅（Yanxun Yu，音译），博士后研究员Gubbi Govindaiah，研究生叶小英（Xiaoying Ye，音译）等。

（生物通：张迪）

原文摘要：

Circadian Rhythm of Redox State Regulates Excitability in Suprachiasmatic Nucleus Neurons
Daily rhythms of mammalian physiology, metabolism, and behavior parallel the day-night cycle. They are orchestrated by a central circadian clock in the brain, the suprachiasmatic nucleus (SCN). Transcription of clock genes is sensitive to metabolic changes in reduction and oxidation (redox); however, circadian cycles in protein oxidation have been reported in anucleate cells, where no transcription occurs. We investigated whether the SCN also expresses redox cycles and how such metabolic oscillations might affect neuronal physiology. We detected self-sustained circadian rhythms of SCN redox state that required the molecular clockwork. The redox oscillation could determine the excitability of SCN neurons through nontranscriptional modulation of multiple potassium (K+) channels. Thus, dynamic regulation of SCN excitability appears to be closely tied to metabolism that engages the clockwork machinery.