Влияние инсулина на спайковую активность нейронов супрахиазматического ядра и функциональное состояние афферентных входов из аркуатного ядра крыс
- Авторы: Инюшкин А.Н.1, Мистрюгов К.А.2, Ледяева О.В.1, Романова И.Д.1, Исакова Т.С.1, Инюшкин А.А.1
-
Учреждения:
- Самарский национальный исследовательский университет им. академика С.П. Королева
- Самарский государственный медицинский университет
- Выпуск: Том 109, № 2 (2023)
- Страницы: 192-213
- Раздел: ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
- URL: https://journals.rcsi.science/0869-8139/article/view/137894
- DOI: https://doi.org/10.31857/S086981392302005X
- EDN: https://elibrary.ru/NDNZUL
- ID: 137894
Цитировать
Аннотация
В экспериментах на сагиттальных срезах гипоталамуса крыс-самцов Вистар изучали влияние 15 нМ инсулина на уровень спайковой активности, параметры спайкового кодирования информации нейронами супрахиазматического ядра и функциональное состояние афферентных входов к этим нейронам из аркуатного ядра. Аппликации инсулина приводили к снижению частоты генерации потенциалов действия и росту энтропии распределения межспайковых интервалов у 33.3% зарегистрированных нейронов, у 12% клеток наблюдались реакции противоположной направленности, показатели спайковой активности остальных 54.7% нейронов не изменялись. Наблюдавшиеся реакции энтропии распределения межспайковых интервалов свидетельствуют о соответствующих изменениях степени нерегулярности межспайковых интервалов под влиянием инсулина. Характеристику афферентных входов к нейронам супрахиазматического ядра из аркуатного ядра производили с помощью электрофизиологической техники построения и анализа перистимульной временной гистограммы. Статистически значимые реакции на стимуляцию аркуатного ядра зарегистрированы у 24 из 38 протестированных нейронов супрахиазматического ядра. Из них у 6 нейронов реакция протекала в виде коротколатентного (<20 мс) возбуждения, у 1 нейрона – в виде длиннолатентного возбуждения, у 6 нейронов – в виде коротколатентного торможения, у 11 нейронов наблюдались комплексные двух- и трехфазные реакции в виде различных сочетаний возбуждения и торможения. Аппликации 15 нМ инсулина вызвали качественное изменение реакций (в виде исчезновения исходных или появления новых реакций) у 5 нейронов, первоначально отвечавших на стимуляцию, и у 1 нейрона, первоначально не отвечавшего на стимуляцию аркуатного ядра. Статистически значимых количественных изменений латентного периода и продолжительности реакций под влиянием инсулина не обнаружено. Полученные результаты указывают на способность инсулина оказывать влияние на уровень активности и спайковый код относительно многочисленной популяции нейронов циркадианного осциллятора супрахиазматического ядра, а также модулировать функциональное состояние афферентных входов к циркадианному осциллятору из гипоталамического аркуатного ядра, играющего важную роль в регуляции аппетита и метаболизма.
Об авторах
А. Н. Инюшкин
Самарский национальный исследовательский университет им. академика С.П. Королева
Автор, ответственный за переписку.
Email: ainyushkin@mail.ru
Россия, Самара
К. А. Мистрюгов
Самарский государственный медицинский университет
Email: ainyushkin@mail.ru
Россия, Самара
О. В. Ледяева
Самарский национальный исследовательский университет им. академика С.П. Королева
Email: ainyushkin@mail.ru
Россия, Самара
И. Д. Романова
Самарский национальный исследовательский университет им. академика С.П. Королева
Email: ainyushkin@mail.ru
Россия, Самара
Т. С. Исакова
Самарский национальный исследовательский университет им. академика С.П. Королева
Email: ainyushkin@mail.ru
Россия, Самара
А. А. Инюшкин
Самарский национальный исследовательский университет им. академика С.П. Королева
Email: ainyushkin@mail.ru
Россия, Самара
Список литературы
- Арушанян ЭБ, Попов АВ (2011) Современные представления о роли супрахиазматических ядер гипоталамуса в организации суточного периодизма физиологических функций. Успехи физиол наук 42(4): 39–58. [Arushanian EB, Popov AV (2011) Recent data about the role of hypothalamic suprachiasmatic nucleus in circadian organization of physiological functions. Uspekhi Fiziol Nauk 42(4): 39–58. (In Russ)].
- Hastings MH, Brancaccio M, Maywood ES (2014) Circadian pacemaking in cells and circuits of the suprachiasmatic nucleus. J Neuroendocrinol 26: 2–10. https://doi.org/10.1111/jne.12125
- Ashton A, Foster RG, Jagannath A (2022) Photic entrainment of the circadian system. Int J Mol Sci 23: 729. https://doi.org/10.3390/ijms23020729
- Kohsaka A, Bass J (2001) A sense of time: how molecular clocks organize metabolism. Trends Endocrinol Metab 18: 4–11. https://doi.org/10.1016/j.tem.2006.11.005
- Mistlberger R (2009) Food-anticipatory circadian rhythms: concepts and methods. Eur J Neurosci 30: 1718–1729. https://doi.org/10.1111/j.1460-9568.2009.06965.x
- Challet E, Mendoza J (2010) Metabolic and reward feeding synchronises the rhythmic brain. Cell Tissue Res 341: 1–11. https://doi.org/10.1007/s00441-010-1001-9
- Shibata S, Liou SY, Ueki S, Oomura Y (1986) Inhibitory action of insulin on suprachiasmatic nucleus neurons in rat hypothalamic slice preparations. Physiol Behav 36: 79–81. https://doi.org/10.1016/0031-9384(86)90077-6
- Bhumbra GS, Inyushkin AN, Saeb-Parsy K, Hon A, Dyball RED (2005) Rhythmic changes in spike coding in the rat suprachiasmatic nucleus. J Physiol 653: 291–307. https://doi.org/10.1113/jphysiol.2004.079848
- Inyushkin AN, Bhumbra GS, Dyball RED (2009) Leptin modulates spike coding in the rat suprachiasmatic nucleus. J Neuroendocrinol 21: 705–714. https://doi.org/10.1111/j.1365-2826.2009.01889.x
- Инюшкин АН, Петрова АА, Ткачева МА, Инюшкина ЕМ (2015) Влияние нейропептида Y на спайковую активность нейронов супрахиазматического ядра крыс in vitro. Рос физиол журн им ИМ Сеченова 101: 1257–1269. [Inyushkin AN, Petrova AA, Tkacheva MA, Inyushkina EM (2015) The effect of neuropeptide Y on spike activity of neurons in the suprachiasmatic nucleus of rat in vitro. Russ J Physiol 101: 1257–1269. (In Russ)].
- Anhe GF, Caperuto LC, Pereira-Da-Silva M, Souza LC, Hirata AE, Velloso LA, Cipolla-Neto J, Carvalho CRO (2004) In vivo activation of insulin receptor tyrosine kinase by melatonin in the rat hypothalamus. J Neurochem 90: 559–566. https://doi.org/10.1111/j.1471-4159.2004.02514.x
- Bondy CA, Cheng CM (2004) Signaling by insulin-like-growth-factor-1 in brain. Eur J Pharmacol 490: 25–31. https://doi.org/10.1016/j.ejphar.2004.02.042
- Jais A, Bruning JC (2022) Arcuate nucleus-dependent regulation of metabolism – pathways to obesity and diabetes mellitus. Endocr Rev 43: 314–328. https://doi.org/10.1210/endrev/bnab025
- Dodd GT, Michael NJ, Lee-Young RS, Mangiafico SP, Pryor JT, Munder AC, Simonds SE, Bruning JC, Zhang ZY, Cowley MA, Andrikopoulos S, Horvath TL, Spanswick D, Tiganis T (2018) Insulin regulates POMC neuronal plasticity to control glucose metabolism. eLife 7: e38704. https://doi.org/10.7554/eLife.38704
- Balland E, Chen W, Dodd GT, Conductier G, Coppari R, Tiganis T, Cowley MA (2019) Leptin signaling in the arcuate nucleus reduces insulin’s capacity to suppress hepatic glucose production in obese mice. Cell Rep 26: 346–355. https://doi.org/10.1016/j.celrep.2018.12.061
- Saeb-Parsy K, Lombardelli S, Khan ZF, McDowall K, Au-Yong ITH, Dyball REJ (2000) Neural connections of hypothalamic neuroendocrine nuclei in the rat. J Neuroendocrinol 12: 635–648.https://doi.org/10.1046/j.1365-2826.2000.00503.x
- Yi CX, van der Vliet J, Dai J., Yin G, Ru L, Buijs RM (2006) Ventromedial arcuate nucleus communicates peripheral metabolic information to the suprachiasmatic nucleus. Endocrinology 147: 283–294. https://doi.org/10.1210/en.2005-1051
- Guzman-Ruiz M, Saderi N, Cazarez-Marquez F, Guerrero-Vargas NN, Basualdo MC, Acosta-Galvan G, Buijs RM (2014) The suprachiasmatic nucleus changes the daily activity of the arcuate nucleus α-MSH neurons in male rats. Endocrinology 155: 525–535. https://doi.org/10.1210/en.2013-1604
- Padilla SL, Perez JG, Ben-Hamo M, Johnson CW, Sanchez REA, Bussi IL, Palmiter RD, de la Iglesia HO (2019) Kisspeptin neurons in the arcuate nucleus of the hypothalamus orchestrate circadian rhythms and metabolism. Curr Biol 29: 592–604. https://doi.org/10.1016/j.cub.2019.01.022
- Scherer T, Sakamoto K, Buettner C (2021) Brain insulin signalling in metabolic homeostasis and disease. Nat Rev Endocrinol 17: 468–483. https://doi.org/10.1038/s41574-021-00498-x
- Konner AC, Janoschek R, Plum L, Jordan SD, Rother E, Ma X, Xu C, Enriori P, Hampel B, Barsh GS, Kahn CR, Cowley MA, Ashcroft FM, Bruning JC (2007) Insulin action in AgRP- expressing neurons is required for suppression of hepatic glucose production. Cell Metab 5: 438–449. https://doi.org/10.1016/j.cmet.2007.05.004
- Trujeque-Ramos S, Castillo-Rolon D, Galarraga E, Tapia D, Arenas-Lopez G, Mihailescu S, Hernandez-Lopez S (2018) Insulin regulates GABAA receptor-mediated tonic currents in the prefrontal cortex. Front Neurosci 12: 345. https://doi.org/10.3389/fnins.2018.00345
- Hammoud H, Netsyk O, Tafreshiha AS, Korol SV, Jin Z, Li PJ, Birnir B (2021) Insulin differentially modulates GABA signalling in hippocampal neurons and, in an age-dependent manner, normalizes GABA-activated currents in the tg-APPSwe mouse model of Alzheimer’s disease. Acta Physiol 232: e13623. https://doi.org/10.1111/apha.13623
- Takei H, Fujita S, Shirakawa T, Koshikawa N, Kobayashi M (2010) Insulin facilitates repetitive firing in rat insular cortex via phosphoinositide 3-kinase but not mitogen activated protein kinase cascade. Neuroscience 170: 1199–1208. https://doi.org/10.1016/j.neuroscience.2010.07.061
- Konner AC, Hess S, Tovar S, Mesaros A, Sanchez-Lasheras C, Evers N, Verhagen LAW, Bronneke HS, Kleinridders A, Hampel B, Kloppenburg P, Bruning JC (2011) Role for insulin signaling in catecholaminergic neurons in control of energy homeostasis. Cell Metab 13: 720–728. https://doi.org/10.1016/j.cmet.2011.03.021
- Bhumbra GS, Inyushkin AN, Dyball RED (2004) Assessment of spike activity in the supraoptic nucleus. J Neuroendocrinol 16: 390–397. https://doi.org/10.1111/j.0953-8194.2004.01166.x
- Brown TM, Coogan AN, Cutler DJ, Hughes AT, Piggins HD (2008) Electrophysiological actions of orexins on rat suprachiasmatic neurons in vitro. Neurosci Lett 448: 273–278. https://doi.org/10.1016/j.neulet.2008.10.058
- Cui LN, Saeb-Parsy K, Dyball REJ (1997) Neurones in the supraoptic nucleus of the rat are regulated by a projection from the suprachiasmatic nucleus. J Physiol 502: 149–159. https://doi.org/10.1111/j.1469-7793.1997.149bl.x
- Gerstein GL, Kiang NYS (1960) An approach to the quantitative analysis of electrophysiological data from single neurons. Biophys J 1: 15–28. https://doi.org/10.1016/s0006-3495(60)86872-5
- Ellaway PH (1978) Cumulative sum technique and its application to the analysis of peristimulus time histograms. Electroencephalogr Clin Neurophysiol 45: 302–304. https://doi.org/10.1016/0013-4694(78)90017-2
- Pendergast JS, Yamazaki S (2018) The mysterious food-entrainable oscillator: insights from mutant and engineered mouse models. J Biol Rhythms 33: 458–474. https://doi.org/10.1177/0748730418789043
- Инюшкин АН, Мистрюгов КА, Громова ДС, Пугачев ЕИ, Беляков ВИ, Инюшкина ЕМ (2011) Влияние инсулина на циркадианный ритм произвольной локомоторной активности крыс. Рос физиол журн им ИМ Сеченова 97: 678–689. [Inyushkin AN, Mistrugov KA, Gromova DS, Pugachev EI, Belyakov VI, Inyushkina EM (2011) The effect of insulin on circadian rhythm of voluntary locomotor activity in rats. Russ J Physiol 97: 678–689. (In Russ)].
- Crosby P, Hamnett R, Putker M, Hoyle NP, Reed M, Karam CJ, Maywood ES, Stangherlin A, Chesham JE, Hayter EA, Rosenbrier-Ribeiro L, Newham P, Clevers H, Bechtold DA, O’Neil JS (2019) Insulin/IGF-1 drives PERIOD synthesis to entrain circadian rhythms with feeding time. Cell 177: 896–909. https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.02.017
- Moore RY, Speh JC, Leak RK (2002) Suprachiasmatic nucleus organization. Cell Tissue Res 309: 89–98. https://doi.org/10.1007/s00441-002-0575-2
- Campo AT (2020) Inferring neural information flow from spiking data. Comput Struct Biotechnol J 18: 2699–2708. https://doi.org/10.1016/j.csbj.2020.09.007
- Krout KE, Kawano J, Mettenleiter TC, Loewy AD (2002) CNS inputs to the suprachiasmatic nucleus of the rat. Neuroscience 110: 73–92. https://doi.org/10.1016/s0306-4522(01)00551-6
- Buijs FN, Guzman-Ruiz M, Leon-Mercado L, Basualdo MC, Escobar C, Kalsbeek A, Buijs RM (2017) Suprachiasmatic nucleus interaction with the arcuate nucleus; essential for organizing physiological rhythms. eNeuro 4: e0028-17.2017. https://doi.org/10.1523/ENEURO.0028-17.2017
- Mendez-Hernandez R, Escobar C, Buijs RM (2020) Suprachiasmatic nucleus–arcuate nucleus axis: interaction between time and metabolism essential for health. Obesity (2020) 28: S10–S17. https://doi.org/10.1002/oby.22774
- Bellet MM, Sassone-Corsi P (2010) Mammalian circadian clock and metabolism – the epigenetic link. J Cell Sci 123: 3837–3848. https://doi.org/10.1242/jcs.051649
- Challet E (2010) Interactions between light, mealtime and calorie restriction to control daily timing in mammals. J Comp Physiol B 180: 631–644. https://doi.org/10.1007/s00360-010-0451-4
- Mistlberger RE (2011) Neurobiology of food anticipatory circadian rhythms. Physiol Behav 104: 535–545. https://doi.org/10.1111/j.1460-9568.2009.06965.x
- Lowitzsch K, Hopf HC, Galland J (1977) Changes of sensory conduction velocity and refractory periods with decreasing tissue temperature in man. J Neurol 216: 181–188. https://doi.org/10.1007/BF00313619
- Debanne D, Campanac E, Bialowas A, Carlier E, Alcaraz G (2011) Axon physiology. Physiol Rev 91: 555–602. https://doi.org/10.1152/physrev.00048.2009
- Feifel D, Vaccarino FJ (1994) Growth hormone-regulatory peptides (GHRH and somatostatin) and feeding: a model for the integration of central and peripheral function. Neurosci Biobehav Rev 18: 421–443.
- Kleinridders A (2016) Deciphering brain insulin receptor and insulin-like growth factor 1 receptor signalling. J Neuroendocrinol 28: https://doi.org/10.1111/jne.12433
- Varela L, Horvath TL (2012) Leptin and insulin pathways in POMC and AgRP neurons that modulate energy balance and glucose homeostasis. EMBO Rep 13: 1079–1086. https://doi.org/10.1038/embor.2012.174
- Vogt MC, Bruning JC (2013) CNS insulin signaling in the control of energy homeostasis and glucose metabolism - from embryo to old age. Trends Endocrinol Metab 24: 76–84. https://doi.org/10.1016/j.tem.2012.11.004
- Zhang ZY, Dodd GT, Tiganis T (2015) Protein tyrosine phosphatases in hypothalamic insulin and leptin signaling. Trends Pharmacol Sci 36: 661–674. https://doi.org/10.1016/j.tips.2015.07.003
- Spanswick D, Smith MA, Mirshamsi S, Routh VH, Ashford ML (2000) Insulin activates ATP-sensitive K+ channels in hypothalamic neurons of lean, but not obese rats. Nat Neurosci 3: 757–758. https://doi.org/10.1038/77660
- Williams KW, Margatho LO, Lee CE, Choi M, Lee S, Scott MM, Elias CF, Elmquist JK (2010) Segregation of acute leptin and insulin effects in distinct populations of arcuate proopiomelanocortin neurons. J Neurosci 30: 2472–2479. https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.3118-09.2010
- Qiu J, Wagner EJ, Ronnekleiv OK, Kelly MJ (2018) Insulin and leptin excite anorexigenic pro-opiomelanocortin neurones via activation of TRPC5 channels. J Neuroendocrinol 30: e12501. https://doi.org/10.1111/jne.12501
- Yang MJ, Wang F, Wang JH, Wu WN, Hu ZL, Cheng J, Yu DF, Long LH, Fu H, Xie N, Chen JG (2010) PI3K integrates the effects of insulin and leptin on large-conductance Ca2+-activated K+ channels in neuropeptide Y neurons of the hypothalamic arcuate nucleus. Am J Physiol 298: E193–E201. https://doi.org/10.1152/ajpendo.00155.2009
- Henry FE, Sugino K, Tozer A, Branco T, Sternson SM (2015) Cell type-specific transcriptomics of hypothalamic energy-sensing neuron responses to weight-loss. eLife 4: e09800. https://doi.org/10.7554/eLife.09800
- Campbell JN, Macosko EZ, Fenselau H, Pers TH, Lyubetskaya A, Tenen D, Goldman M, Verstegen AM, Resch JM, McCarroll SA, Rosen ED, Lowell BB, Tsai LT (2017) A molecular census of arcuate hypothalamus and median eminence cell types. Nat Neurosci 20: 484–496. https://doi.org/10.1038/nn.4495
- Chen R, Wu X, Jiang L, Zhang Y (2017) Single-Cell RNA-Seq reveals hypothalamic cell diversity. Cell Rep 18: 3227–3241. https://doi.org/10.1016/j.celrep.2017.03.004