- 封面故事
- 2016年
- 561期－基因開關（9月號）
文章專區
2016-09-01光調控生理時鐘之神經地圖
561 期
Author 作者
張宜婷／陳示國
過去研究，科學家已經知道人類的生理時鐘跟光有關，人體主要接收光的部位為眼睛視網膜的感光細胞。我們熟知人類有2種不同感光細胞──視錐與視桿細胞，分別將光的顏色與亮暗，轉成神經傳導訊號，透過視網膜神經節細胞及其他後續反應，控制生理時鐘。但1999年，科學家發現老鼠沒有視錐及視桿細胞，竟然還能用光來影響生理時鐘。一年後發現，視網膜神經節細胞中有部分自己就會感光，不需透過感光細胞，稱為內生性感光視網膜神經節細胞。
傳統認知，右邊的感覺神經將訊息傳至左腦，而左邊的感覺神經將訊息傳至右腦，但利用Cre-loxP技術，科學家可以在含有幾百萬個神經細胞的小鼠內中，只標定其中一個內生性感光視網膜神經節細胞，進而發現原來大部分的此種細胞會同時將訊息送達左右腦，讓我們左右腦的生理時鐘同步。如此一來，就不會因為你在白天閉起右眼，就產生左腦生理時鐘被調整成晚上，而右腦維持在白天的混亂狀況。
「日出而作，日落而息。」先秦的《擊壤歌》就提到人類自古就照著日夜週期活動，其實不只人類，小至構造簡單的藍綠藻，大至哺乳類動物，許多生理現象都維持約24小時的節律，來適應地球自轉所產生的日夜變化。生理時鐘（biological clock）的存在對生物而言相當重要，可協助生物面對不同時段所發生的事，像是胃腸等器官，在白天時表現活躍，利於消化；大腦內松果體在夜晚時分泌褪黑激素，協助入睡。生理時鐘並非一成不變，當我們搭飛機跨越多個時區，體內的生理時鐘一時無法適應外界的時間變化，會產生疲憊、失眠及胃口欠佳等時差症狀，然而過幾天這些不適感就消失了，這是因為體內的生理時鐘，已重新適應新的日夜週期。
生理時鐘的調控
我們如何調整體內的生理時鐘呢？在哺乳類動物中，生理時鐘的中樞位於下視丘（hypothalamus）的前部，視神經交叉的上方，故稱視交叉上核（suprachiasmatic nucleus, SCN），其會接收多種環境改變的訊息，包含光線、溫度、濕度和飲食等等，視交叉上核將這些訊息整合後，會產生約24小時節律的指令並傳至全身，同步各部位的周邊時鐘（peripheral clocks），讓許多行為與生理現象呈現節律性的變化（圖一）。先前研究發現，若破壞老鼠的視交叉上核，其行為和生理功能的節律性就會消失；若移植新的視交叉上核，喪失的節律性則會恢復，所以視交叉上核被認為是生理時鐘的節律點（circadian pacemaker）。
圖一：視交叉上核接收環境訊息後（光線、溫度、飲食等），便會影響身體各部位的周邊時鐘。
許多日變環境因子可調控生理時鐘，但對多數生物而言，光暗週期是最主要的。在沒有外界環境因子的刺激下，生物體的生理週期並非剛好24小時，小鼠約為23.5小時，人類則是約25小時；但如果身處在24小時光暗週期的環境，小鼠和人類的生理週期則可被同步為24小時，此過程仰賴視網膜神經節細胞（retinal ganglion cells, RGCs）經由視網膜–下視丘路徑（retinohypothalamic tract, RHT）將外界的光訊息傳至視交叉上核，又稱作光同步生理時鐘（circadian photoentrainment）。……【更多內容請閱讀科學月刊第561期】