University of Groningen. Natural entrainment of circadian systems Hut, Roelof

Transcriptie

1 University of Groningen Natural entrainment of circadian systems Hut, Roelof IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from it. Please check the document version below. Document Version Publisher's PDF, also known as Version of record Publication date: 2001 Link to publication in University of Groningen/UMCG research database Citation for published version (APA): Hut, R. A. (2001). Natural entrainment of circadian systems: A study in the diurnal ground squirrel, Spermophilus citellus Groningen : s.n. Copyright Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons). Take-down policy If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim. Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum. Download date:

2 Nederlandse samenvatting Entrainment van het circadiane systeem Het leven op aarde is geëvolueerd onder de invloed van de dag-nachtcyclus. Deze cyclus vindt zijn interne representatie in het circadiane systeem. Dit systeem is aanwezig in vrijwel alle levende organismen. Het maakt dagelijkse aanpassingen in gedrag en fysiologie mogelijk, zoals bijvoorbeeld het slaap-waak ritme. Bij de meeste dieren wordt het circadiane systeem aangestuurd door een pacemaker. Bij zoogdieren is deze gelocaliseerd in de hypothalamus van de hersenen (suprachiasmatische nuclei, SCN) direct boven de kruising van de oogzenuwen (optisch chiasma). Om een optimaal functioneren van het circadiane systeem mogelijk te maken, moet het beschikken over een mechanisme waarmee het gesynchroniseerd kan worden met de licht-donkercyclus van de omgeving. Het proces dat deze synchronisatie veroorzaakt heet entrainment. De gevestigde theorie over het mechanisme van entrainment is vrijwel geheel gebaseerd op laboratorium experimenten, met onnatuurlijke lichtstimuli. Mechanismen van entrainment in de natuur zijn het hoofdthema van dit proefschrift. Het werd geïnspireerd door het feit dat grondeekhoorns in de natuur nooit de schemering zien die in de entrainment theorie een cruciale rol speelt. Entrainment mechanismen van het circadiane systeem bij zoogdieren Entrainering van het circadiane systeem met de natuurlijke dag-nachtcyclus wordt veroorzaakt door de invloed van licht op de SCN. Zenuwverbindingen vanuit lichtgevoelige cellen in het netvlies (retina) van het oog gaan via de oogzenuw naar zenuwcellen (neuronen) in de SCN (retino-hypothalamische tractus, RHT). Pacemakercellen binnen de SCN hebben ieder hun eigen oscillerend moleculair mechansime (moleculaire klok). Koppelingsmechansimen tussen deze pacemakerneuronen zorgen voor het synchroniseren van deze oscillaties binnen de SCN. Dit zorgt voor een dagelijks ritme in tal van parameters in de SCN. Electrische activiteit, afgifte van neurotransmitters, maar vooral ook lichtgevoeligheid van de SCN veranderen daardoor in de loop van de cyclus. Het circadiane systeem legt zijn ritme op aan het dier. Dit ritme herhaalt zich ongeveer iedere 24 uur (circadiane periode = τ) en is onder andere te meten aan de hand van activiteit. De lichtgevoeligheid van het circadiane systeem is bestudeerd door een enkele lichtpuls (~ 1 uur) te geven aan een dier dat verder onder constante lage lichtintensiteit gehouden wordt. Het activiteitsritme verschuift door het geven van een lichtpuls. Als de lichtpuls aan het eind van de subjectieve nacht ( = rustfase voor dagactieve dieren of activiteitsfase voor nachtactieve dieren) gegeven wordt, zullen de dieren de volgende dag eerder wakker worden. Het circadiane ritme is dus eigenlijk vooruit geschoven. Wordt de lichtpuls aan het begin van de subjectieve 143

3 nacht gegeven, dan worden de dieren de volgende dag juist later wakker. Het circadiane ritme is dus achteruit geschoven. De veranderingen in de loop van de circadiane dag in grootte en richting van deze verschuivingen vormen zo een fase respons curve (phase response curve, PRC). De vorm van de PRC voorspelt dat het circadiane systeem stabiel kan entraineren aan licht-donkercycli. Met andere woorden, als het slaap-waak ritme (bij voorbeeld bij de mens) is vervroegd ten opzichte van de dag-nacht cyclus (eerder naar bed dan normaal), dan wordt er vlak voor het slapen meer licht waargenomen (begin van de subjectieve nacht) en vlak na het wakker worden juist minder licht (eind van de subjectieve nacht). Als het begin van de subjectieve nacht wordt belicht, voorspelt de vorm van de PRC dat het ritme naar een later tijdstip op de dag verschuift en dus in de juiste richting gecorrigeerd wordt. Zo stabiliseert het circadiane systeem zich tussen de licht-donkerovergangen met dagelijkse verschuivingen vooruit of achteruit. Op basis van de algemene vorm van de licht-prc heeft Colin Pittendrigh een entrainment model opgesteld dat door de licht-donker overgangen gestuurd wordt. De natuurlijke licht-donker overgangen vinden tijdens de schemering plaats. Natuurlijke entrainering bij grondeekhoorns Uit veldwaarnemingen aan de Europeese grondeekhoorn uitgevoerd in Langenzersdorf in de buurt van Wenen (in samenwerking met de afdeling Ethologie van de universiteit van Wenen), bleek dat deze dagactieve dieren alleen maar boven de grond kwamen als het al volop licht was (hoofdstuk 2). Tot enkele uren na de ochtendschemer verblijven de dieren nog in hun holen onder de grond. Aan het eind van de dag verdwijnen ze, enkele uren voor de avondschemer, weer onder de grond. Het leek er op dat de belangrijke licht-donker overgangen uit het entrainment model van Pittendrigh helemaal niet werd waargenomen door de grondeekhoorns. Dit wekte onze twijfel aan de juistheid van de gangbare entrainment theorie. De werkelijke lichtwaarneming van de dieren moest eerst gemeten worden (hoofdstuk 3). Het zou immers zo kunnen zijn dat de dieren vanuit de ingang van hun hol nog licht konden waarnemen tijdens de schemeringen. Om dit te meten werd een aantal grondeekhoorns, zowel in het Hongaarse Kiskunsagi nationaal park in Bugac Puszta (in samenwerking met de Eötvös universiteit, Budapest) als in buitenverblijven bij het biologisch centrum in Haren, uitgerust met lichtgevoelige zendertjes om hun nek. Uit het uitgezonden signaal kon afgeleid worden of een dier zich in het licht of in het donker bevond. Hieruit bleek duidelijk dat als de dieren onder de grond gingen, zij in een donkere omgeving waren (< 0.03 lux), ook al was het buiten volop licht (> lux). Uit ondergrondse observaties met een endoscoop bleek dat de dieren, nadat ze hun hol binnen gingen, de uitgangen dicht stopten met zand (hoofdstuk 4). Dit tunnel blocking gedrag veroorzaakt absolute duisternis in de holen van de grondeekhoorns. De grondeekhoorns zien dus vrijwel nooit een zonsopkomst of zonsondergang, laat staan dat de echte natuurlijke licht donker overgang tijdens de burgelijke schemering waargenomen wordt. De licht donkerovergangen die de dieren wel zien worden veroorzaakt door hun eigen gedrag (het in en uit de holen gaan) en geven geen informatie over tijd van de dag. Circadiane ritmiek na de winterslaap De grondeekhoorns sluiten zich zelf niet alleen aan het eind van iedere dag af van lichtinvloeden van buiten. Ook aan het eind van de zomer gaan ze voor 6-7 maanden onder de 144

4 grond om in winterslaap (hibernation) te gaan. Ze sluiten dan hun holen volledig af met zand (entrance blocking). Tijdens deze winterslaap teren ze in op hun vetreserves die in de zomer zijn aangelegd. Hun lichaamsgewicht varieert daardoor tussen ca. 350 gram voor de winterslaap tot ca. 250 gram vlak er na. Tijdens de winterslaap wordt het energieverbruik sterk verlaagd doordat de lichaamstemperatuur voor het grootste gedeelte van de tijd daalt tot 1 à 2 C boven de omgevingstemperatuur. Dit hebben we gemeten bij grondeekhoorns in het buitenverblijf in Haren (hoofdstuk 5). Daarbij waren we er vooral in geinterreseerd hoe de circadiane ritmiek in eutherme lichaamstemperatuur (~37 C) weer terugkomt nadat de winterslaap is beëindigd (post-hibernation rhythmicity). Het bleek dat dagelijkse ritmiciteit in temperatuur pas na enkele dagen na de winterslaap terug kwam. Dit zou veroorzaakt kunnen worden doordat het circadiane systeem gewoon functioneert tijdens de winterslaap, maar geleidelijk uit fase is geraakt met de licht-donker cyclus als de dieren voor het eerst weer boven komen. Directe (positieve) effecten van licht op de lichaamstemperatuur (maskering) kunnen dan interfereren met de circadiane component van lichaamstemperatuur waardoor een afvlakking van het ritme kan ontstaan. Het zou ook kunnen zijn dat de circadiane klok niet meer functioneert na de winterslaap en dat het een aantal dagen nodig heeft om zijn oscillatie weer op te bouwen. Onder constante lage lichtintensiteit in het laboratorium (< 1 lux) lieten grondeekhoorns ook aritmiciteit in activiteit en lichaamstemperatuur zien (hoofdstuk 6). Interferentie tussen intrinsieke en extrinsieke factoren is in dit experiment uitgesloten en het is dus waarschijnlijk dat het circadiane systeem zich na de winterslaap moet herstellen. Het langzame herstel van het circadiane systeem gedurende 4-15 dagen na de winterslaap wijst er op dat de circadiane oscillator aanvankelijk met een kleine amplitude oscilleert. De fase van een oscilator met een kleine amplitude is gemakkelijk te verschuiven. Grondeekhoorns kunnen daardoor waarschijnlijk sneller re-entraineren aan het dag-nacht ritme na de winterslaap. Na een verblijf van 7 maanden in de konstante duisternis van hun ondergrondse holen kan het voor de grondeekhoorns belangrijk zijn om tijdelijk een circadiaan systeem te hebben dat zich snel kan aanpassen aan de dag-nachtcyclus. Om het effect van licht op het verloop van de circadiane lichaamstempertuuramplitude na de winterslaap te meten, werden in een vervolgexperiment in het laboratorium een lichtpuls (1 uur) en vervolgens een licht donker cyclus gegeven (hoofdstuk 6). De amplitude van de lichaamstemperatuurritmiek werd niet hersteld na een enkele lichtpuls, maar was wel hersteld nadat de grondeekhoorns volledig gere-entraineerd waren geweest aan meedere 24 uurs lichtdonkercycli. Dit geeft waarschijnlijk aan dat het circadiane systeem na de winterslaap pas volledig tot expressie komt na synchronisatie met de licht-donkercyclus. Ultraviolette zonnestraling Grondeekhoorns komen in de natuur pas boven als het al lang licht is en gaan weer onder de grond lang voordat het donker wordt. De belangrijke licht-donker overgangen in de reeds lang geaccepteerde entrainment theorie worden dus helemaal niet waargenomen. Zonlicht bestaat echter uit meer dan alleen het (voor de mens) zichtbare gedeelte van het zonnespectrum. Ultraviolette zonnestraling wordt door de aardatmosfeer grotendeels geabsorbeerd, maar als de zon hoog aan de horizon staat dringt er genoeg ultraviolette straling door de atmosfeer om waargenomen te worden. In feite komt s ochtends de schemering van ultraviolette straling 145

5 een paar uur na de schemering van zichtbaar licht en s avonds begint de ultraviolette schemering een paar uur eerder dan de schemering van zichtbaar licht. Onder natuurlijke omstandigheden zijn de grondeekhoorns boven de grond actief op juist die tijd van de dag dat er veel ultraviolet licht in het zonnespectrum aanwezig is. Het zou dus in principe mogelijk zijn dat grondeekhoorns aan ultraviolet licht entraineren in plaats van aan zichtbaar licht. Bekend is dat het circadiane ritme van hamsters, muizen en ratten verschoven kan worden met ultraviolet licht. In een laboratoriumexperiment laten we zien dat hamsters inderdaad ook kunnen entraineren aan een cyclus van ultraviolet licht, maar grondeekhoorns niet (hoofdstuk 7). Dat komt omdat ultraviolette straling geabsorbeerd wordt door de (geel gepigmenteerde) ooglens van grondeekhoorns, maar niet door de lens van hamsters. De uiterst dagactieve grondeekhoorns zijn extreem veel blootgesteld aan ultraviolet licht. Dat kan ondermeer schadelijk zijn voor de lichtgevoelige zintuigcellen (fotoreceptoren) in het oog. Daarom hebben grondeekhoorns een soort ingebouwde zonnebril in hun ooglens. Om verschillende redenen beargumenteren we aan het eind van hoofdstuk 7 dat de rol van ultraviolet licht niet van belang is voor natuurlijke entrainering van het circadiane systeem, noch bij dagactieve, noch bij nachtactieve zoogdieren. Nonphotische effecten Naast licht kunnen ook andere factoren een rol spelen bij circadiane entrainering. Hamsters verschuiven hun circadiaan ritme na een nonphotische stimulus zoals het verschonen van hun kooi, de aanwezigheid van een vrouwtjes hamster (bij mannetjes) of het aan bieden van een nieuw loopwiel. Dit soort effecten is alleen gemeten bij dagactieve vogels en nachtactieve zoogdieren. De vorm van de gevonden PRC s is zeer verschillend maar maakt wel duidelijk dat zowel nachtactieve knaagdieren als dagactieve vogels aan nonphotische stimuli kunnen entraineren. Bij dagactieve knaagdieren zijn nonphotische effecten op het circadiane systeem nog nooit vastgesteld. Wij hebben daarom een experiment gedaan waarbij grondeekhoorns iedere 23.5 uur gedurende 3 uur in een loopwiel werden geplaatst (hoofdstuk 8). Het bleek dat grondeekhoorns inderdaad kunnen entraineren aan deze stimuli, maar de fase van de stimulus tijdens stabiele entrainment maakt duidelijk dat hun PRC bij benadering de zelfde vorm heeft als de PRC van nachtactieve hamsters. Het feit dat niet alle grondeekhoorns op deze nonphotische stimulus reageerden maakt duidelijk dat het voor natuurlijke entrainment waarschijnlijk niet belangrijk is. Een nieuw model voor natuurlijke entrainering Noch ultraviolet licht, noch nonphotische effecten kunnen dus een verklaring geven voor de natuurlijke activiteitsritmiek van grondeekhoorns waarbij de natuurlijke licht-donker overgangen van de dag-nachtcyclus niet dieren worden waargenomen. Daarbij komt nog dat het natuurlijke gedrag van groundeekhoorns en andere holbewonende dagactieve dieren (zoals mensen), zorgt voor een enorme variatie van lichtintensiteit als ze overdag in en uit hun holen gaan. Deze twee aspecten stemmen niet overeen met het model van Pittendrigh. In hoofdstuk 9 wordt een nieuw entrainment model gepresenteerd, waarin zowel aspecten van het (nonparametrische) phaseverschuivingsmodel van Colin Pittendrigh, als aspecten van het (parametrische) periodeveranderingsmodel van Jürgen Aschoff, zijn samengebracht. 146

6 De periode (τ) van het circadiane systeem ligt vaak dicht bij de 24 uur, maar heeft geen vaste waarde. Periodeveranderingen zijn lange termijn veranderingen in het circadiane systeem. Als muizen onder een licht-donker cyclus gehouden worden van 20 uur of van 28 uur, dan zijn deze behandlingen nog lang herkenbaar in de veranderde periode van het circadiane systeem (tot minstens 100 dagen). Zelfs na een enkele lichtpuls verandert de circadiane periode bij verschillende soorten zoogdieren (inclusief grondeekhoorns, zie hoofdstuk 10). Deze after effects werken in de zelfde richting als de faseverschuivingen na een lichtpuls: Als de fase vooruit geschoven wordt, wordt de periode korter, als de fase achteruit geschoven wordt, wordt de periode langer. Beide effecten kunnen dus bijdragen aan entrainment, maar de fase verschuivingen zijn kortstondig en de periodeveranderingen zijn langdurig. Door de kortstondige phaseverschuivingen reageert het circadiane systeem direct op allerlei willekeurige lichtveranderingen. Door de langdurige periodeveranderingen krijgt het circadiane systeem een soort integrerende functie die daarmee juist reageert op de gemiddelde lichtintensiteits curve over een reeks van dagen. Voor de grondeekhoorn, en andere dagactieve holbewonende dieren, is dit waarschijnlijk belangrijk. Als de lichtcurves die de grondeekhoorns waarnemen in detail bekeken worden, dan blijkt dat ze aan het eind van de dag vaak een kleine verlaging van de gemiddelde lichtintensiteit waarnemen (~ 1 logaritmische eenheid; zie hoofdstuk 3). Het model laat zien dat deze kleine, dagelijkse lichtveranderingen genoeg kunnen zijn om stabiele entrainment te handhaven met een zelfde faserelatie als bij het activiteitspatroon van grondeekhoorns onder natuurlijke omstandigheden (hoofdstuk 10). Deze resultaten hebben tot het nieuwe inzicht geleid dat niet alleen faseverschuivingen maar ook periodeveranderingen belangrijk zijn voor entrainment van het circadiane systeem. Deze periodeveranderingen zorgen voor een langzame fijn-afstelling van de frequentie van de circadiane oscillator op basis van meerdere opeenvolgende licht donkercycli. Het vermogen van circadiane oscillatoren om informatie over meerdere cycli te integreren is wellicht een belangrijke factor geweest in de evolutie van inwendige klokken, een factor die ze als timings-mechanisme superieur maakt over direkte reacties op externe signalen. 147

7 148