El núcleo supraquiasmático (SCN por sus siglas en inglés), se encuentra ubicado en el hipotálamo y, es el centro superior de regulación de los ritmos circadianos. Es conocido como el marcapasos central, ya que sincroniza los diversos ritmos de la periferia del organismo con los estímulos externos, que le informan sobre los cambios de luz y temperatura, anticipa los cambios ambientales para su propia supervivencia. Estos estímulos se conocen por su término alemán zeitgeber. Como oscilador maestro, el núcleo supraquiasmático utiliza entradas humorales y neuronales para coordinar los relojes circadianos periféricos. En mamíferos el NSQ controla varias funciones fisiológicas (como los ciclos de sueño-vigilia y de secreción hormonal) y el comportamiento animal. El descubrimiento del ritmo circadiano central en el NSQ recibió el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 2017.
Historia
El núcleo supraquiasmático (SCN en inglés) fue implicado por primera vez como reloj maestro en 1972, de forma independiente por Robert Moore y Victor Eichler, y Fred Stephan e Irving Zucker.
En 1980 se estableció que las células del SCN no eran una población homogénea. Las tinciones de Nissl y plata, las impregnaciones de Golgi y la microscopía electrónica del SCN de rata, revelaron dos subdivisiones predominantes: las células en la parte dorsomedial del núcleo eran más pequeñas y estaban más compactas que las de la parte ventrolateral. Un núcleo supraquiasmático en ratas se estima que tiene un volumen de alrededor de 0,068 mm³ y contiene cerca de 8.000 neuronas.
En 1990 los cultivos de cortes "organotípicos" in vitro, perdieron al menos el 70% de sus neuronas, expresaron neuro-péptidos AVP y VIP al igual que in vivo y además mostraron ritmos circadianos de liberación de ambos péptidos al medio de cultivo.
En 1995 se demostró que neuronas individuales disociadas del SCN oscilaban independientemente con diferentes períodos circadianos in vitro, lo que demostraba que un reloj circadiano se localizaba dentro de células individuales.
El descubrimiento de que el núcleo supraquiasmático hipotalámico (SCN) estaba involucrado en la organización de la actividad rítmica diaria de la fisiología, el metabolismo y el comportamiento en los mamíferos, fue emocionante para los investigadores. La "primera fase" fue el descubrimiento que el NSQ contenía el tejido necesario para la generación de la ritmicidad circadiana, se estableció mediante estudios de lesiones. La "segunda fase" del estudio demostró que el NSQ comprendía un marcapasos circadiano autónomo, con ritmos metabólicos y de actividad eléctrica in vivo e in vitro. La "tercera fase" del estudio, identificó los mecanismos bioquímicos y moleculares responsables del ritmo, con la determinación de mutantes circadianos y técnicas de reporteros luminiscentes y fluorescentes. OA Luego, se identificaron neuropéptidos específicos como elementos clave en la sincronización de los ritmos circadianos celulares dentro del NSQ. Se descubrieron múltiples osciladores que rigen los ritmos conductuales y fisiológicos. Con la aplicación de manipulaciones genéticas para cada tipo celular, se revelaron componentes del sistema de entrada-salida del NSQ. OA Se hizo realidad el "sueño de cualquier reduccionista": una propiedad de los ritmos de conductas observada en un animal mutante in vivo, podía observarse en neuronas individuales del SCN in vitro. CC BY
En 2017 la ritmicidad circadiana descubierta, fue uno de los capítulos en la historia de la biología y ganó el Premio Nobel de Fisiología o Medicina para Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash y Michael W. Young.
Anatomía
El núcleo supraquiasmático (NSQ) es una pequeña estructura par, que se localiza en el sector anterior y medial del hipotálamo. Las neuronas que lo forman están situadas justo encima del quiasma óptico del cual recibe su nombre. Un núcleo NSQ está ubicado a cada lado (bilateral) del tercer ventrículo, en el humano mide alrededor de 0,5 × 0,1 centímetros , está compuesto por aproximadamente 10.000 neuronas y en una posición superior (dorsal) con relación al quiasma óptico.
Arquitectura microscópica Mediante los sistemas ópticos se ha estudiado la estructura y composición del núcleo supraquiasmático (NSQ) en vertebrados. Las células del NSQ no son una población homogénea. La tinción de Nissl y la impregnación de Golgi del SCN de rata, revelaron dos subdivisiones predominantes: las neuronas en la parte dorso-medial "shell" del NSQ eran más pequeñas y estaban más compactas que las de la parte ventro-lateral "core".
miniatura |300px |Tipos de neuronas supraquiasmáticas en los dos sectores. En roedores, es menor de 1 milímetro (mm) de largo y consiste de cerca de 16.000 neuronas diminutas, de menos de 10 micrómetros (μm) de diámetro y densamente empaquetadas. En el humano cada NSQ, de aproximadamente 5 × 1 mm, contiene unas 10.000 neuronas.
El NSQ es dividido para su estudio, en dos sectores denominados como: ventral-lateral o "core" y dorsal-medial o "shell". OA
La mayoría de las neuronas del SCN son GABAérgicas e incluyen varios tipos de neuronas caracterizadas por coexpresar péptidos. (Tsuno)
El núcleo NSQ está compuesto por neuronas densamente empaquetadas, sin una estratificación laminar evidente como la que se observa en otras regiones cerebrales.
Se ha podido diferenciar mediante marcadores genéticos, ocho tipos de células principales: astrocitos, células endoteliales, células ependimales, microglia, neuronas, NG2 (polidendrocitos), oligodendrocitos, y tanicitos.
Ultraestructura Estudios electrónicos y moleculares han mostrado la heterogeneidad de las neuronas del NSQ.
Diversos estudios han identificado cinco clases diferentes de neuronas en el NSQ, según la coexpresión de varios neuropéptidos. Otro informe ha identificado ocho tipos celulares principales, cada uno con un patrón de expresión génica circadiana. CC BY
Mediante transcriptómica el NSQ posee ocho tipos celulares principales de células, cada uno con un patrón específico de expresión génica circadiana: astrocitos (Agt), células endoteliales (Itm2a), células ependimarias (Tmem212), microglia (Hexb), neuronas (Celf4), células NG2 (también conocidas como polidendrocitos) (Pdgfra), oligodendrocitos (Plp1) y tanicitos (Col23a1).
(The suprachiasmatic nucleus Andrew P. Patton 2018).
Cinco subtipos neuronales del NSQ, cada uno con combinaciones específicas de marcadores.(Yan?)--> The SCN is composed of two major peptidergic neuron types in the core and shell regions.(Calligaro et al. 2023).
Neuronas NSQ miniatura |izq |250px |Nucleolo de célula Supraquiasmática (flecha roja). Microscopía electrónica de transmisión . miniatura |izq|250px |Cuerpo estigmoide (flecha verde). Núcleo celular abajo izquierda. Célula Supraquiasmática.
Las neuronas NSQ contienen uno o dos nucléolos prominentes, así como una cromatina constitutiva dispersa, lo que demuestra una actividad transcripcional alta.
Son 2 los tipos de neuronas representativas en el SCN: las neuronas que expresan los neuropeptidos (VIP) y (GRP) en la región ventral "core" y las neuronas positivas para la (AVP) en la región dorsal o cubierta "shell".(Tsuno,2025)
Otra característica estructural del SCN es la presencia de una red de comunicación entre neuronas que no depende de la comunicación axonal, sino de otro tipo de sinapsis, las sinapsis químicas dendro-dendrítica (DDCS). (Calligaro et al. 2023) Las dendritas que forman DCCS en el SCN no están aisladas, sino que forman una red compleja y estas dendritas reciben entradas sinápticas densas de fuentes retinianas y no retinianas
Densidad de neuronas en el "core" (centro)= 53,3 neuronas por 100.000 µm³; en "shell" (cubierta)= 67,5 x 100.000 µm³. Los núcleos de las neuronas fueron más grandes en la cubierta shell (cubierta "shell"= 346,45 ± 8,53 µm³ ; "core" centro= 318,53 ± 7,35 µm³.
Las neuronas del SCN se han caracterizado previamente en función de sus parámetros morfológicos, especialmente en el número de neuritas: unipolares, bipolares o multipolares. Se encuentran más neuronas bipolares en la cubierta "shell" (60%) y más neuronas multipolares en el núcleo "core" (61,5%).
La región de la "shell"/cubierta del NSQ está más densamente llena de neuronas que la región del "core"/núcleo. La "shell"/cubierta tiene un volumen mayor con una densidad celular menor en comparación con el "core"/núcleo,
La proporción de neuronas a células gliales es de aproximadamente 10:1. CC BY
Astrocitos NSQ Los astrocitos presentan una morfología generalmente estrellada, distribuyen sus finas prolongaciones por los circuitos neuronales y contactan con numerosas sinapsis. Los astrocitos mediante la llamada sinapsis tripartita, en la cual las prolongaciones envuelven las estructuras de las neuronas pre-sinápticas y post-sinápticas, modulan la señalización de las neuronas.
Fisiología El centro físico no es un sincitio celular homogéneo e indivisible, sino una red neuronal heterogénea y compleja con localización intracentral y especialización funcional.
Numerosos tractos neuronales se proyectan hacia (aferentes) el núcleo supraquiasmático, 40 regiones cerebrales tienen proyecciones monosinápticas. Su tracto principal es el tracto retinohipotalámico, que se origina en las células ganglionares fotosensibles de la retina.
Las proyecciones salientes (eferentes) del núcleo NSQ van a inervar estructuras como la glándula pineal, que produce melatonina. La mayoría de las eferencias monosinápticas de las neuronas del núcleo supraquiasmático terminan en los núcleos hipotalámicos y talámicos cercanos.
Se estima que, entre la población heterogénea de aproximadamente 20.000 neuronas, se secretan más de 100 neurotransmisores, neuropéptidos, citocinas y factores de crecimiento. El centro core sintetiza GABA, calbindina (CalB), péptido intestinal vasoactivo (VIP), calretinina (CALR), péptido liberador de gastrina (GRP) y neurotensina (NT), mientras que las neuronas que expresan vasopresina arginina (AVP) se encuentran en la corteza shell. Otras neuronas presentes en la corteza incluyen GABA, CalB, angiotensina II (ANGII), met-encefalina (m-ENK) y galanina (Gal).
Las neuronas del NSQ expresan una amplia gama de neuropéptidos y sus receptores (Wen et al., 2020) y constituyen un sistema multioscilador jerárquico. ocho tipos celulares principales, cada uno con un patrón específico de expresión génica circadiana. Cinco subtipos neuronales del NSQ, cada uno con combinaciones específicas de marcadores, difieren en su distribución espacial, ritmo circadiano y respuesta a la luz. OA
A pesar de lo heterogéneo de sus células, el SCN puede generar resultados precisos principalmente a través de la conectividad intrínseca de sus neuronas. Hay mecanismos genéticos moleculares que subyacen a la ritmicidad circadiana. El descubrimiento de los mecanismos genéticos moleculares que subyacen a la ritmicidad circadiana, fue uno de los capítulos en la historia de la biología y ganó el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 2017 para Jeffrey Hall, Michael Rosbash y Michael Young.
En neuronas individuales del NSQ, se observan ritmos circadianos en la transcripción del gen del reloj (Yoo et al., 2004), la activación neuronal, la secreción hormonal (p. ej., péptido intestinal vasoactivo) y la concentración intracelular de Ca2+. CC BY
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Las neuronas del NSQ emiten potenciales de acción a un ritmo de 24 horas, incluso en condiciones constantes (oscuridad). Al mediodía, la frecuencia de disparo alcanza un máximo y, durante la noche, vuelve a descender. The suprachiasmatic nucleus. Andrew P. Patton, Michael H. Hastings. Volume 28, Issue 15, 6 August 2018, Pages R816-R822 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960982218308431
Las neuronas del NSQ generan endógenamente (son osciladores circadianos autosostenidos)