综述：大脑昼夜节律钟对 24 小时行为节律的调控

《npj Biological Timing and Sleep》：Brain circadian clocks timing the 24h rhythms of behavior

本文综述了哺乳动物大脑昼夜节律系统，探讨多时钟网络对行为节律的调控及与视交叉上核（SCN）的关系。

　　### 大脑昼夜节律钟：行为 24 小时节律的调控者
在哺乳动物的世界里，行为可不是随心所欲的，而是遵循着 24 小时的节律。就拿我们人类来说，日常的活动、睡眠与清醒的交替、进食、饮水等行为，都像是被一个精准的时钟掌控着，按时按点地进行。这背后的 “指挥官”，就是哺乳动物的昼夜节律系统。

这个系统可不简单，它由多个细胞生物钟组成，这些生物钟相互协作，共同维持着机体稳定的行为节律。而在众多的生物钟中，下丘脑的视交叉上核（SCN）堪称 “老大”，它负责协调外周组织和大脑结构的昼夜节律，让身体的各个部分都能 “有序运作”。

除了 SCN，大脑的其他区域也有着自己的 “小算盘”，它们在电特性、代谢过程和基因表达等方面呈现出 24 小时的活动变化。不过，有些区域能独立维持稳定的振荡活动，有些则需要 SCN 的 “带领” 才能保持规律的节奏。那么，拥有多个时钟的大脑昼夜节律系统究竟有什么意义呢？这正是这篇综述探讨的重点。

SCN 时钟：当之无愧的大脑核心时钟

早在 20 世纪 70 年代，科学家们就发现了 SCN 的重要作用。当对大鼠的 SCN 进行双侧电解损伤后，大鼠的行为节律，如运动活动、饮水行为，以及激素释放，如皮质酮，都失去了原本的昼夜规律。这就像是拔掉了时钟的 “电源”，一切都陷入了混乱。

后来，研究进一步揭示了 SCN 的生理节律。无论是在体内还是体外，SCN 的代谢葡萄糖摄取和电活动都呈现出明显的昼夜变化，白天活动更为活跃。而且，人类的 SCN 也有着类似的昼夜活动模式，这与实验动物的数据相吻合。更为神奇的是，胎儿 SCN 移植能够恢复 SCN 被切除动物的行为节律，这充分证明了 SCN 在哺乳动物昼夜节律中的核心地位。

从分子层面来看，SCN 的时钟机制是一个复杂的自动调节转录 / 翻译反馈回路。白天，转录因子 CLOCK 和 BMAL1 通过 E-box 增强子序列激活 Per 和 Cry 基因。随后，产生的 PER 和 CRY 蛋白在细胞质中积累，形成异二聚体复合物，转移到细胞核中，作为负调节因子抑制 CLOCK - BMAL1 的活性，从而完成一个昼夜循环。

SCN 是一个异质核，其中表达多种神经递质和神经肽，如 GABA、血管加压素（AVP）和血管活性肠肽（VIP）。AVP 被认为是 SCN 时钟的主要分子输出，它能通过 V1a 和 V1b 受体调节 SCN 细胞的耦合，进而控制行为节律。而 VIP 则在 SCN 的同步化过程中发挥着重要作用，它能接收来自视网膜黑素视蛋白神经节细胞的直接输入，通过光信号调节时钟的相位。

值得一提的是，SCN 中的星形胶质细胞也有着自己的昼夜节律。它们的 Ca⁺活动和时钟基因表达在夜间达到高峰，与神经元的节律相反。而且，当神经元的时钟基因存在缺陷时，星形胶质细胞的时钟能够维持行为节律，这表明 SCN 是一个复杂的计时机器，神经元和星形胶质细胞共同参与其中。

下丘脑其他时钟：协同 SCN 调节行为

下丘脑虽然体积不大，但却是调节基本生命功能的重要区域，它包含多个核团，与行为节律的调控密切相关。

就拿进食行为来说，这是一种非常典型的节律行为。虽然 SCN 损伤会导致进食节律消失，但下丘脑特定区域在进食节律中的作用尚未完全明确。其中，弓状核（ARC）在调节进食和能量平衡方面发挥着重要作用。ARC 位于下丘脑底部，靠近第三脑室，能够感知外周信号，如胰岛素、瘦素、葡萄糖和游离脂肪酸等，从而了解机体的营养状况。

研究发现，ARC 中的 Per1:Luc 和 PER2::LUC 活动呈现出显著的昼夜节律，且这种节律在单个细胞中也能观察到。这表明 ARC 细胞本身就具有时钟特性，时钟基因突变会改变 ARC 中 PER2::LUC 的活动。而且，ARC 中的食欲相关神经肽 Y / 刺鼠相关蛋白（NPY/AgRP）神经元和厌食性阿黑皮素原（POMC）神经元的活动也与昼夜节律密切相关。AgRP 神经元的细胞内 Ca⁺活动会随着光暗周期和自由进食周期同步变化，进食时间的改变还能同步 AgRP Ca⁺活动的节律。不过，AgRP 神经元的昼夜活动依赖于完整的 SCN，同样，SCN 损伤会导致 ARC 中 α - MSH 神经元（POMC 衍生的厌食性肽）的昼夜活动消失。这一系列研究表明，SCN - ARC 昼夜网络对于控制进食行为的节律至关重要。

背内侧下丘脑核（DMH）是 SCN 的主要输出结构之一，也具有时钟活性。DMH 的 PER2::LUC 活动在核团和单细胞水平都呈现出昼夜节律。DMH 损伤会消除进食行为的节律，这说明它在控制进食昼夜节律方面起着关键作用。

饮水行为的昼夜节律通常与进食行为密切相关，SCN 损伤同样会消除饮水节律。不过，睡眠前的饮水行为比较特殊，它是由 SCN - AVP 神经元投射到终板血管器（OVLT）驱动的，目的是防止脱水。因此，SCN 时钟促进了睡眠前饮水行为的节律，而 OVLT 中的口渴神经元则是 SCN 控制饮水节律的输出环节。

此外，下丘脑室旁核（PVN）中产生促肾上腺皮质激素释放激素（CRH）的神经元也具有时钟活性。它们的时钟基因表达和神经元活动（Ca⁺）呈现出强烈的昼夜振荡，在中午左右达到高峰。PVN 中的时钟基因 Bmal1 缺失会破坏 Ca⁺活动的昼夜节律，这表明 PVN 中存在一个局部的自维持昼夜时钟。SCN - VIP 能神经元会同步 PVN - CRH 时钟细胞，协调皮质酮释放的昼夜节律。而且，SCN - PVN 通路通过交感神经连接到松果体，驱动褪黑素（MEL）的夜间节律性分泌。MEL 不仅在调节睡眠和光周期适应方面发挥着重要作用，还通过 MT1 和 MT2 受体在大脑的多个区域发挥作用，影响药物摄入和成瘾行为。

视网膜时钟：环境光同步的 “先锋官”

视网膜作为一个特殊的神经组织，在昼夜节律系统中扮演着独特的角色。它不仅是光信号进入大脑的唯一途径，还具有自身的昼夜时钟特性。

视网膜由不同的细胞层和细胞类型组成，其中光感受器（视杆细胞和视锥细胞）负责感知光线。而内在光敏视网膜神经节细胞（ipRGCs）则更为特殊，它们表达光色素黑素视蛋白，能够将光信息传递给 SCN 时钟以及大脑的其他区域。除了 SCN，ipRGCs 的主要投射靶点还包括缰旁核、橄榄顶盖前核、外侧膝状体间小叶、上丘和腹外侧膝状体核等，这些区域都参与了光介导行为的调节。

研究发现，视网膜中的无长突细胞释放的 MEL 具有节律性，即使在持续黑暗的条件下，这种节律也能在培养的视网膜中维持几天。这一发现首次证明了视网膜具有自我维持昼夜节律的能力。进一步研究发现，视网膜各层都存在时钟基因的自维持节律，这些节律相互关联，并受到视网膜神经递质（如多巴胺和 GABA）的调节。

视网膜的昼夜时钟对调节生理过程至关重要，它能驱动 MEL 和多巴胺（DA）的释放，以及视觉信息的定时处理。自然阳光的光谱和强度在一天中不断变化，为了适应这种变化，视觉也必须具有高度的节律性。ipRGCs 被认为是辐照度传感系统的重要组成部分，能够介导对光的行为反应，如相位转移、掩蔽和瞳孔收缩。黑素视蛋白的表达也具有昼夜节律，这表明视网膜的昼夜时钟对于优化对环境光变化的适应、将光信号正确传递到大脑以驱动行为至关重要。

嗅球时钟：嗅觉行为的 “节奏大师”

嗅球（OB）是大脑中负责传递气味信息的重要结构，它在昼夜节律系统中也有着独特的作用。

早期研究发现，切除嗅球会减缓啮齿动物对新光暗周期的重新适应速度，并且会阻止非光信号（如社交线索）对昼夜节律的调节。此外，气味线索能够加速对光暗周期提前 6 小时的重新适应，与短暂的光刺激相结合，还能增强光诱导的运动活动节律和 SCN 中 c - FOS 蛋白表达的相位转移。这些研究表明，嗅觉系统在某种程度上能够调节 SCN 对光和非光线索的昼夜节律调节。

后来，研究发现 OB 中的细胞，主要是僧帽细胞层的细胞，具有昼夜节律活动，其时钟基因表达和电活动的内源性周期为 22 小时。而且，OB 的昼夜节律在体内、麻醉和自由活动的动物以及体外都能自我维持，不受 SCN 的影响。不过，SCN 损伤会导致 OB 中 PER2 荧光素酶活性节律的表达紊乱，这说明 OB 时钟细胞之间的内部同步依赖于 SCN。

OB 时钟在调节气味相关行为方面发挥着重要作用。小鼠 OB 中气味诱导的 c - FOS 表达具有昼夜节律，在黑暗初期反应更为强烈。而且，嗅觉辨别能力也具有昼夜节律，小鼠在主观夜间的敏感性更高。SCN 损伤不会消除嗅觉的昼夜敏感性，但 Bmal1 或 Per1 - 2 双基因敲除小鼠以及 Vip/Vpac2 缺陷小鼠的嗅觉昼夜节律会消失，这表明嗅觉行为的节律不依赖于 SCN，而是与 OB 中的时钟基因表达和 VIP 信号有关。

外侧缰核时钟：行为调控的 “幕后推手”

外侧缰核（LHb）是位于丘脑背侧的一个小结构，在脊椎动物大脑中高度保守。它不仅参与调节与动机、奖励、厌恶和决策相关的行为，还含有一个昼夜振荡器。

LHb 神经元的放电率在白天比晚上更高，蛋白质 c - FOS 在啮齿动物 LHb 中的表达也具有昼夜节律。而且，PER2 蛋白的生物发光活性在 LHb 的内侧部分具有节律性且自我维持，这表明 LHb 可能含有一个自主的昼夜时钟，尽管还需要更多的证据来证实这一点。

LHb 是中脑和脑干单胺系统的重要调节者。它通过谷氨酸能投射到中脑的腹侧被盖区（VTA），调节 DA 的释放。同时，它还能调节中缝核中 5 - 羟色胺（5 - HT）的释放。DA 和 5 - HT 的释放具有节律性，不仅受 SCN 的调节，也可能受到 LHb 时钟的影响。因此，许多受 DA 和 5 - HT 信号影响的行为，如运动活动、进食、睡眠 - 清醒行为、攻击行为和社交行为等，都可能受到 LHb 时钟的节律性调节。

LHb 在介导应激反应方面也发挥着重要作用。在夜间，夜行性大鼠的 LHb 对应激事件的激活更为显著。在鱼类中，行为威胁反应也受到缰核时钟活动的昼夜调节。而且，循环恐惧线索能够调节小鼠的行为昼夜节律，但 SCN 中的时钟基因表达并不会随着恐惧时间的变化而改变。这表明，LHb 或前额叶皮质 - LHb 通路可能作为一个昼夜节律电路，调节对厌恶刺激的时间反应。

中脑边缘系统时钟：奖励行为的 “调节器”

中脑边缘系统由中脑的神经元及其投射到皮层和前脑的神经纤维组成。其中，VTA 中的 DA 能神经元投射到伏隔核（NAcc）和前额叶皮质（PFC）。

研究发现，大鼠 VTA 的电活动具有昼夜节律，在主观夜间的放电率更高。而且，前脑 DA 的释放也具有节律性，在大鼠和小鼠中，纹状体中的 DA 水平在夜间更高。这表明 VTA 的电活动昼夜节律促进了 DA 在前脑主要靶点（NAcc 和 PFC）的节律性释放。

虽然在小鼠 VTA 中，时钟基因的表达具有节律性，但在大鼠和小鼠的离体 VTA 组织中，Per1:Luc 和 PER2::LUC 基因的表达振荡较弱且很快消失。这说明 VTA 的节律性活动可能依赖于与其他脑区（包括 SCN）的连接和支持。VTA 通过前下丘脑间接接收来自 SCN 的输入，SCN 损伤会减弱 NAcc 和 PFC 中酪氨酸羟化酶（DA 合成的限速酶）的昼夜表达。此外，LHb 的时钟可能直接或间接（通过 RMTg）调节 VTA 的节律性活动。

在行为方面，VTA 的时钟活动控制着可口食物的进食节律。小鼠对蔗糖和可口食物的摄入和偏好具有昼夜节律，在主观夜间更高，这一节律受时钟基因表达的调节。Per1 - 2 基因的全局突变或 VTA - DA 能神经元中 Bmal1 的特异性敲低会下调可口食物摄入的节律。不过，VTA 中 Bmal1 的敲低不会影响正常食物的摄入，而 SCN 或 DMH 损伤会破坏正常食物摄入的昼夜节律。这表明，SCN 主要通过 DMH 调节进食的昼夜稳态控制，而 VTA 可能通过在前脑节律性释放 DA 来调节昼夜享乐性进食。

有趣的是，VTA 还能投射到 SCN，靶向含有 D1 多巴胺受体的细胞，促进运动行为节律对新光暗周期的适应，这表明 VTA 作为一个额外的 SCN 外昼夜节律区域，能够支持 SCN 调节时钟以适应环境变化。

大脑皮层时钟：行为调控的 “多元角色”

大脑皮层是哺乳动物大脑的重要组成部分，分为四个叶，分别负责不同的功能，如认知功能、运动控制和感觉处理。在人类、非人灵长类动物和啮齿动物的不同皮层区域，都发现了时钟基因表达的昼夜节律。

在啮齿动物中，运动皮层的时钟基因表达与运动活动节律相关，不同昼夜活动模式的物种（如昼行性的地松鼠和夜行性的叙利亚仓鼠）呈现出相反的节律特征，这表明运动皮层的时钟基因节律可能调节行为模式的相位。而且，在非人灵长类动物和小鼠的前额叶皮质（PFC），以及人类（死后样本）和小鼠的皮质区域（PFC、前扣带回皮质）之间，基因表达的相位也存在差异。值得注意的是，人类皮质的节律基因表达具有性别差异，女性大脑组织中的基因表达相位比男性更提前，并且这些节律会随着年龄的增长而变化。

皮层的基因表达节律依赖于 SCN。至少在啮齿动物中，SCN 损伤会消除大鼠新皮层时钟基因表达的昼夜节律。不过，在小鼠中，特异性敲除皮层神经元（而非 SCN）中的时钟基因 Bmal1 会破坏皮层的昼夜活动，并改变与情绪相关的行为。这说明皮层的昼夜活动既依赖于皮层神经元中的局部时钟机制，也依赖于 SCN 的昼夜协调。

在小鼠的梨状皮层（PC），细胞和基因活动的昼夜节律已经得到证实，这表明 PC 中存在一个局部的昼夜时钟，调节小鼠的嗅觉行为。特异性删除 PC 锥体神经元（而非 SCN 中的 GABA 能神经元）中的 Bmal1 基因，会消除 PC 中气味诱发的神经活动的昼夜节律。因此，PC 含有一个独立于 SCN 的昼夜时钟，由局部分子时钟机制控制。在嗅觉系统中，气味信息从嗅觉上皮的感觉神经元开始，投射到 OB，最终在 PC 神经元中进行处理。OB 和 PC 都含有自主的局部昼夜时钟，由时钟基因的振荡活动维持。因此，在啮齿动物中，OB - PC 通路似乎是一个独立于 SCN 主时钟的局部昼夜网络，对控制嗅觉行为的节律具有重要意义。

其他前脑时钟：各司其职的 “行为调控员”

脊椎动物的基底前脑包含多个参与感觉整合、奖励调节、学习和认知、进食和繁殖等功能的结构。

杏仁核是基底前脑的一个重要区域，是边缘系统的重要组成部分，在恐惧条件反射和情绪记忆中发挥着关键作用。杏仁核主要分为基底外侧复合体（BLA）和中央杏仁核（CeA）。BLA 整合来自皮层和丘脑的感觉信息，并将其传递给 CeA，CeA 则将 BLA 的信息传递到边缘系统、下丘脑和脑干区域，从而驱动内分泌、自主神经和行为反应，其中许多反应具有昼夜节律性。

研究发现，BLA 和 CeA 的核团都具有昼夜节律特征，它们的 PER2 时钟蛋白表达呈现出相反的每日模式。CeA 中 PER2 的表达在夜间达到高峰，与 SCN 中的表达模式相似，而 BLA 中 PER2 的表达则在白天更高。而且，CeA 和 BLA 中 PER2 的每日节律都受 SCN 控制，不过，CeA 中 PER2 的每日节律还依赖于皮质酮的每日节律，这表明 SCN 通过体液输出控制 CeA 的时钟活动。

最近，在小鼠的外侧杏仁核中发现了一组特殊的神经元，它们含有细胞内时钟输出分子 mWAKE，这种分子在果蝇中调节睡眠的昼夜时间，在哺乳动物的 SCN 时钟中也高度表达。小鼠杏仁核中的 mWAKE 神经元的放电率具有节律性，夜间活动更高。在行为层面，mWAKE 细胞通过投射到 NAcc，参与焦虑样行为和感觉知觉的节律生成。在夜间，焦虑样行为较低，而感觉知觉较高，这有利于小鼠在活动阶段进行最佳的觅食行为和增强感觉知觉。

终纹床核（BNST）是扩展杏仁核的一部分，在调节交配、母性行为、应激、药物摄入和摄食行为等方面发挥着重要作用。解剖学证据表明，SCN 投射到 BNST，因此 BNST 可能是 SCN 控制运动活动节律的关键输出。不过，BNST 也可能作为一个独立的昼夜时钟，调节行为的节律性活动。<