松果体和视交叉上核对大鼠体温昼夜节律的调节机制
作者：童建 秦立强 王道锦
单位：苏州医学院预防医学系，苏州 215007
关键词：松果体；昼夜节律；体温调节；视上核；视交叉
航天医学与医学工程000205摘要： 目的 探讨松果体和视交叉上核对大鼠体表和深部体温昼夜节律的调节方式。 方法 采用核团毁损、褪黑素及其合成抑制剂干涉试验。 结果 两个核团分别对体温昼夜节律的控制起着不同的作用。在体温绝对值的改变上，松果体发挥着上调而视交叉上核呈现下调的效应。在体温节律的发生和维持上，视交叉上核可能是皮肤温度昼夜节律的中枢起搏器，而深部体温的昼夜变化主要受松果体的支配。 结论 松果体和视交叉上核经由神经和内分泌通路相互偶联并构成统一协调的体温振荡系统。
中图分类号：R322.55 文献标识码：A 文章编号：1002-0837(2000)02-0101-03
, 百拇医药
Mechanism of Pineal and Suprachiasmatic Regulation on Circadian Rhythm of Body Temperature in Rats.
TONG Jian,QIN Li-qiang,WANG Dao-jin.
Abstract: Objective To investigate the mechanism of circadian rhythm of skin and core temperature as regulated by pineal and suprachiasmatic nucleus (SCN) in rats. Method Pineal destruction and melatonin interference test were employed. Result The two nuclei functioned differently in the maintenance of the temperature rhythm.Changes of the temperature level were nucleus related,i.e.,up-regulated by pineal and down-regulated by SCN.In terms of initiation and daily running of the rhythmic oscillation,pineal is probably the central clock of the skin temperature rhythm,while SCN mainly controls the core temperature rhythm. Conclusion The two nuclei interlink by way of neuroendocrine signals to balance over the oscillatory system of the circadian temperature.
, 百拇医药
Key words:pineal body;circadian rhythm;body temperature regulation;supraoptic nucleus;optic chiasm
曾经认为在鸟类和两栖爬行类动物中，松果体(Pineal gland,PG)是主要的昼夜节律生物钟；对于哺乳动物，其发动和控制生物节律的功能已由松果体转移到视交叉上核(Suprachiasmatic nucleus,SCN)，而松果体本身已处在从属和受控的地位[1]。但近年来的研究发现，作为主要的中枢内分泌器官之一，松果体具有相当广泛的生理功能，其合成和分泌的褪黑激素具有很强的生物活性，在调节生殖与发育、免疫与内分泌、睡眠与觉醒等生理活动中起重要的作用[2]。由于褪黑素的合成分泌具有明显的昼夜节律性，即在黑暗相中脉冲性地分泌而在光照相中几乎检测不到，因而被推测仍然是哺乳动物的一个重要的中枢振荡器[3]。
, http://www.100md.com
以往的研究发现，PG和SCN在哺乳动物体温的昼夜节律维持中都起一定的作用[4]，但对二者是否有共同效应途径以及如何协同调节体温节律，尚未见文献报道。本文研究了在不同处理因素，包括核团毁损、褪黑素(Melatonin,MT)及其合成抑制剂氨甲喋呤(Methotrexate,MTX)的作用下，PG和SCN对大鼠体表温度(皮温)和深部温度(肛温)昼夜节律的影响，以探讨中枢神经机构对生理显性节律的调节方式和作用机制。
方 法
实验动物 健康雄性Wistar大鼠40只，体重180～200g，由苏州医学院实验动物中心提供。为了使环境信号对动物的整合作用标准化，正式实验前，先使大鼠在稳定的人工光照周期(08：00到20：00时光照，20：00到08：00时黑暗)下喂养2周，自由进食。室温维持在20±2℃，光强度为250～350 Lx(鼠笼中央)，黑暗期操作时红光强度为10～15 Lx。实验共分8个组，即对照组、毁损SCN组、毁损PG组、同时毁损SCN和PG组、毁损PG后加入MT组、毁损SCN后加入MT组、SCN中加入MT组和PG中加入MTX组。随机分组，每组5只。
, 百拇医药
实验步骤 大鼠麻醉(60 mg/kg戊巴比妥钠，i.p.)后置于生理定位仪上，按Paxinos & Watson大鼠脑图谱进行颅骨钻孔及核团定位[5]。实验结束后解剖大脑以核实定位。核团毁损采用直径0.1 mm，尖端裸露0.3 mm的绝缘不锈钢电极，以6 V、1 mA的直流电进行电解毁损，持续20 s。核团内给药将1 μl微量注射器定位插入后，将0.2 μl MTX或MT(0.05 μg/μl)于1 min内缓慢注入[6]。动物术后每天给予青霉素2000 U，连续注射3 d。上述处理后一周开始体温测定。采用卡西欧UC-110型温度计和自动定时记录装置。每隔2 h采样并记录一次皮肤及肛门温度，测定持续24 h。
统计处理 对一组动物体温的昼夜测定结果采用计算机余弦程序分析，通过振幅检验(F检验)确定是否存在昼夜节律[7]。按照下述余弦方程对测定结果进行拟合：
F(t)=M+A cos(ωt+Ф)
, 百拇医药
式中M为中值，即涨落变化的中线；A为节律振荡的振幅，表示上下波动的幅度；Ф为峰值相位，即振荡到达顶峰的时刻，可根据角速度ω(360°/24 h)将其换算成为相应的昼夜时点。
结果与讨论
在哺乳动物中，由视网膜光感受器、下丘脑的SCN和PG组成的神经内分泌回路，是产生昼夜节律的时间结构[8]。有实验表明，SCN的毁损只引起一部分昼夜节律如摄食、饮水、皮肤温度等节律的紊乱或消失，而其它一些节律如激素分泌、深部体温等又与PG有关[9]。然而对两个核团在体温节律的调控及其相互关系方面，尚未见到相应的研究。
实验对各组动物体温的昼夜测定值，经余弦分析后结果见表1。从表中可见，与对照组相比，毁损SCN后体温升高，而毁损PG或加入MT拮抗剂MTX后体温降低。如果同时毁损SCN和PG，则体温变化不明显。这提示，在对体温绝对值的控制中，PG发挥着上调而SCN起着下调的作用。体温振幅的改变也存在体内外的差别。体表温度经不同处理后振幅均增大，但深部温度变化不明显。
, http://www.100md.com
振幅检验证实，对照组大鼠的体温波动存在着昼夜节律性，其峰值相位于午夜时分(黑暗相前期)，这与文献报道一致[10]。毁损PG组的皮肤温度和毁损SCN组的肛温有着与对照组相似的节律变化，而在MT加入SCN组和MTX加入PG组，虽然昼夜节律仍然存在，但是峰值位相已经发生了偏移，即提前或延迟出现。
实验结束后的大脑解剖显示，核团毁损和注射定位的准确率达到95%。实验结果表明，在体温昼夜节律的维持和调节上，SCN和PG分别起着不同的作用。对皮肤温度而言，毁损SCN或同时毁损SCN和PG后昼夜节律消失，而毁损PG对其没有明显的影响。这提示，SCN可能是皮肤温度昼夜节律的中枢起搏器。毁损SCN后加入MT不能使破坏的节律恢复，以及将MT注入完整的SCN后未能取消昼夜节律，进一步说明PG及其分泌的MT不是皮肤温度节律产生的始动因素。
表1 不同处理组动物体温的昼夜节律参数
Table 1 Parameters of circadian rhythm of skin and core temperature in rats with different treatments treatment
, 百拇医药
mesor
amplitude
acrophase
peak time
P
sikin temp.
control
37.24
0.42
-37.21
2：29
<0.05
, 百拇医药
PG electric destruction
36.75
1.46
-30.54
2：02
<0.05
SCN electric destruction
37.58
1.03
-296.36
19:45
SCN+PG electric destruction
, http://www.100md.com
36.53
1.49
-351.46
23:26
SCN electric destruction+MT
36.75
0.98
-4.77
0:19
MT to SCN
37.49
1.33
, 百拇医药
-1.32
0:05
<0.05
core temp.
control
37.52
0.53
-7.86
0:31
<0.05
PG electric destruction
38.43
, http://www.100md.com
0.63
-6.41
0:26
<0.05
SCN electric destruction
37.27
0.45
-317.50
21:00
SCN+PG electric destruction
37.48
0.35
, 百拇医药
-53.85
3:35
PG electric destruction+MT
37.48
0.25
-352.67
23:31
MTX to PG
37.05
0.36
-302.77
20:11
, http://www.100md.com
<0.05
另一方面，对深部体温来说，情况恰好相反。毁损PG或同时毁损PG和SCN后肛温昼夜节律丧失，但SCN毁损后节律仍然存在，提示PG可能是深部体温昼夜节律的中枢起搏器，而与SCN的关系不大。毁损PG后再加入MT，并不能使破坏的节律恢复；将MT抑制剂MTX注入PG后，节律的峰值位相提前4 h出现，这些结果说明MT对于深部体温节律的维持虽有一定的调节效应，但可能不起决定性的作用。
根据本次实验结果及其分析，可以认为，SCN和PG对体温昼夜振荡的控制即有分工，又可通过神经和MT的信号传递进行交互性细调，从而保证整个体温系统在昼夜运行的过程中始终受到有效的调控。
基金项目：国家自然科学基金资助项目(39770246)
[参考文献]
[1] Edmundos LN.Cellular and molecular bases of biological clocks[M].New York:Springer-verlag,1988：12～74
, 百拇医药
[2] Warren WS.The pineal gland:photoreception and coupling of behavioral,metabolic,and cardiovascular circadian outputs[J].J Biol Rhythms,1995,10(1):64～79
[3] Gwinner E.Melatonin:generation and modulation of avian circadian rhythms[J].Brain Res Bull,1977,44(4):439～444
[4] Cagnacci I,Angel E,Dolcan I et al.Hypothermic effect of melatonin and nocturnal core body temperature decline are reduced in aged woman[J].J Appl Physiol,1995,78:314～317
, http://www.100md.com
[5] Redman JR,Francis AJ.Entrainment of rat circadian rhythms by the melatonin agonist S-20098 requires intact suprachasmatic nuclei but not the pineal[J].J Biol Rhythms,1998,13(1):39～51
[6] Ward A,Summers MJ,Sim E.Purification of recombinant human N-acetyltransferase type 1(NAT1) expressed in E.Coli and characterization of its potential role in folate metabolism[J].Biochem Pharmacol,1995,49(12):1759～1767
[7] Tong J.Application of cosinor analysis in rescarch on biological rhythm[J].China Health Statistics，1991，8(1)：23～25
, 百拇医药
童 建.余弦分析法在生物节律研究中的应用[J].中国卫生统计，1991，8(1)：23～25
[8] Touitor Y,Haus E.Biologic Rhythms in Clinical and Laboratory Medicine[M].New York:Springer-verlag,1992:55～64
[9] Reiter RJ.The aging pineal gland and its physiological consequences[J].BioEssays,1992,14:169～175
[10] Walter P.The aging clock[M].New York:NY Academy of Sciences,1994:43～63
收稿日期：1999-05-10, http://www.100md.com
单位：苏州医学院预防医学系，苏州 215007
关键词：松果体；昼夜节律；体温调节；视上核；视交叉
航天医学与医学工程000205摘要： 目的 探讨松果体和视交叉上核对大鼠体表和深部体温昼夜节律的调节方式。 方法 采用核团毁损、褪黑素及其合成抑制剂干涉试验。 结果 两个核团分别对体温昼夜节律的控制起着不同的作用。在体温绝对值的改变上，松果体发挥着上调而视交叉上核呈现下调的效应。在体温节律的发生和维持上，视交叉上核可能是皮肤温度昼夜节律的中枢起搏器，而深部体温的昼夜变化主要受松果体的支配。 结论 松果体和视交叉上核经由神经和内分泌通路相互偶联并构成统一协调的体温振荡系统。
中图分类号：R322.55 文献标识码：A 文章编号：1002-0837(2000)02-0101-03
, 百拇医药
Mechanism of Pineal and Suprachiasmatic Regulation on Circadian Rhythm of Body Temperature in Rats.
TONG Jian,QIN Li-qiang,WANG Dao-jin.
Abstract: Objective To investigate the mechanism of circadian rhythm of skin and core temperature as regulated by pineal and suprachiasmatic nucleus (SCN) in rats. Method Pineal destruction and melatonin interference test were employed. Result The two nuclei functioned differently in the maintenance of the temperature rhythm.Changes of the temperature level were nucleus related,i.e.,up-regulated by pineal and down-regulated by SCN.In terms of initiation and daily running of the rhythmic oscillation,pineal is probably the central clock of the skin temperature rhythm,while SCN mainly controls the core temperature rhythm. Conclusion The two nuclei interlink by way of neuroendocrine signals to balance over the oscillatory system of the circadian temperature.
, 百拇医药
Key words:pineal body;circadian rhythm;body temperature regulation;supraoptic nucleus;optic chiasm
曾经认为在鸟类和两栖爬行类动物中，松果体(Pineal gland,PG)是主要的昼夜节律生物钟；对于哺乳动物，其发动和控制生物节律的功能已由松果体转移到视交叉上核(Suprachiasmatic nucleus,SCN)，而松果体本身已处在从属和受控的地位[1]。但近年来的研究发现，作为主要的中枢内分泌器官之一，松果体具有相当广泛的生理功能，其合成和分泌的褪黑激素具有很强的生物活性，在调节生殖与发育、免疫与内分泌、睡眠与觉醒等生理活动中起重要的作用[2]。由于褪黑素的合成分泌具有明显的昼夜节律性，即在黑暗相中脉冲性地分泌而在光照相中几乎检测不到，因而被推测仍然是哺乳动物的一个重要的中枢振荡器[3]。
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以往的研究发现，PG和SCN在哺乳动物体温的昼夜节律维持中都起一定的作用[4]，但对二者是否有共同效应途径以及如何协同调节体温节律，尚未见文献报道。本文研究了在不同处理因素，包括核团毁损、褪黑素(Melatonin,MT)及其合成抑制剂氨甲喋呤(Methotrexate,MTX)的作用下，PG和SCN对大鼠体表温度(皮温)和深部温度(肛温)昼夜节律的影响，以探讨中枢神经机构对生理显性节律的调节方式和作用机制。
方 法
实验动物 健康雄性Wistar大鼠40只，体重180～200g，由苏州医学院实验动物中心提供。为了使环境信号对动物的整合作用标准化，正式实验前，先使大鼠在稳定的人工光照周期(08：00到20：00时光照，20：00到08：00时黑暗)下喂养2周，自由进食。室温维持在20±2℃，光强度为250～350 Lx(鼠笼中央)，黑暗期操作时红光强度为10～15 Lx。实验共分8个组，即对照组、毁损SCN组、毁损PG组、同时毁损SCN和PG组、毁损PG后加入MT组、毁损SCN后加入MT组、SCN中加入MT组和PG中加入MTX组。随机分组，每组5只。
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实验步骤 大鼠麻醉(60 mg/kg戊巴比妥钠，i.p.)后置于生理定位仪上，按Paxinos & Watson大鼠脑图谱进行颅骨钻孔及核团定位[5]。实验结束后解剖大脑以核实定位。核团毁损采用直径0.1 mm，尖端裸露0.3 mm的绝缘不锈钢电极，以6 V、1 mA的直流电进行电解毁损，持续20 s。核团内给药将1 μl微量注射器定位插入后，将0.2 μl MTX或MT(0.05 μg/μl)于1 min内缓慢注入[6]。动物术后每天给予青霉素2000 U，连续注射3 d。上述处理后一周开始体温测定。采用卡西欧UC-110型温度计和自动定时记录装置。每隔2 h采样并记录一次皮肤及肛门温度，测定持续24 h。
统计处理 对一组动物体温的昼夜测定结果采用计算机余弦程序分析，通过振幅检验(F检验)确定是否存在昼夜节律[7]。按照下述余弦方程对测定结果进行拟合：
F(t)=M+A cos(ωt+Ф)
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式中M为中值，即涨落变化的中线；A为节律振荡的振幅，表示上下波动的幅度；Ф为峰值相位，即振荡到达顶峰的时刻，可根据角速度ω(360°/24 h)将其换算成为相应的昼夜时点。
结果与讨论
在哺乳动物中，由视网膜光感受器、下丘脑的SCN和PG组成的神经内分泌回路，是产生昼夜节律的时间结构[8]。有实验表明，SCN的毁损只引起一部分昼夜节律如摄食、饮水、皮肤温度等节律的紊乱或消失，而其它一些节律如激素分泌、深部体温等又与PG有关[9]。然而对两个核团在体温节律的调控及其相互关系方面，尚未见到相应的研究。
实验对各组动物体温的昼夜测定值，经余弦分析后结果见表1。从表中可见，与对照组相比，毁损SCN后体温升高，而毁损PG或加入MT拮抗剂MTX后体温降低。如果同时毁损SCN和PG，则体温变化不明显。这提示，在对体温绝对值的控制中，PG发挥着上调而SCN起着下调的作用。体温振幅的改变也存在体内外的差别。体表温度经不同处理后振幅均增大，但深部温度变化不明显。
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振幅检验证实，对照组大鼠的体温波动存在着昼夜节律性，其峰值相位于午夜时分(黑暗相前期)，这与文献报道一致[10]。毁损PG组的皮肤温度和毁损SCN组的肛温有着与对照组相似的节律变化，而在MT加入SCN组和MTX加入PG组，虽然昼夜节律仍然存在，但是峰值位相已经发生了偏移，即提前或延迟出现。
实验结束后的大脑解剖显示，核团毁损和注射定位的准确率达到95%。实验结果表明，在体温昼夜节律的维持和调节上，SCN和PG分别起着不同的作用。对皮肤温度而言，毁损SCN或同时毁损SCN和PG后昼夜节律消失，而毁损PG对其没有明显的影响。这提示，SCN可能是皮肤温度昼夜节律的中枢起搏器。毁损SCN后加入MT不能使破坏的节律恢复，以及将MT注入完整的SCN后未能取消昼夜节律，进一步说明PG及其分泌的MT不是皮肤温度节律产生的始动因素。
表1 不同处理组动物体温的昼夜节律参数
Table 1 Parameters of circadian rhythm of skin and core temperature in rats with different treatments treatment
, 百拇医药
mesor
amplitude
acrophase
peak time
P
sikin temp.
control
37.24
0.42
-37.21
2：29
<0.05
, 百拇医药
PG electric destruction
36.75
1.46
-30.54
2：02
<0.05
SCN electric destruction
37.58
1.03
-296.36
19:45
SCN+PG electric destruction
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36.53
1.49
-351.46
23:26
SCN electric destruction+MT
36.75
0.98
-4.77
0:19
MT to SCN
37.49
1.33
, 百拇医药
-1.32
0:05
<0.05
core temp.
control
37.52
0.53
-7.86
0:31
<0.05
PG electric destruction
38.43
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0.63
-6.41
0:26
<0.05
SCN electric destruction
37.27
0.45
-317.50
21:00
SCN+PG electric destruction
37.48
0.35
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-53.85
3:35
PG electric destruction+MT
37.48
0.25
-352.67
23:31
MTX to PG
37.05
0.36
-302.77
20:11
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另一方面，对深部体温来说，情况恰好相反。毁损PG或同时毁损PG和SCN后肛温昼夜节律丧失，但SCN毁损后节律仍然存在，提示PG可能是深部体温昼夜节律的中枢起搏器，而与SCN的关系不大。毁损PG后再加入MT，并不能使破坏的节律恢复；将MT抑制剂MTX注入PG后，节律的峰值位相提前4 h出现，这些结果说明MT对于深部体温节律的维持虽有一定的调节效应，但可能不起决定性的作用。
根据本次实验结果及其分析，可以认为，SCN和PG对体温昼夜振荡的控制即有分工，又可通过神经和MT的信号传递进行交互性细调，从而保证整个体温系统在昼夜运行的过程中始终受到有效的调控。
基金项目：国家自然科学基金资助项目(39770246)
[参考文献]
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收稿日期：1999-05-10, http://www.100md.com