很多人一定有过这样的经历，睡觉前忘记设定闹钟或手机插上了耳机，但第二天早上仍能在预定的时间醒来。或是乘坐飞机出国，到达目的地后阳光普照，却仍然觉得睡眼惺忪呵欠连连。原因在于人与动物的特定行为有一定的周期规律性，就像是动物春秋两季的迁徒、特定季节的繁殖、我们血压的高低、睡眠与清醒的时间等。
有研究发现，人与动物的周期性行为受到体内生物钟 (biological clock) 和环境的影响。哺乳动物大脑下视丘的视交叉上核 (suprachiasmatic nucleus, SCN) 被认为是生物钟的总指挥，体内不同细胞、器官也都有各自的小生物钟。动物实验发现不同日夜周期会让视交叉上核细胞制造特殊蛋白质，而这类蛋白质会调控动物生理机能运作，像是激素分泌、饥饿、或是对外界信号特别敏锐等。
昼夜节律 (circadian rhythm) 是生命活动以24小时左右为周期的变动，所有真核生物都有昼夜节律，即使没有外界信号也可以持续运作。日光是昼夜节律的常见信号，哺乳动物眼睛神经细胞将视觉信号传递到大脑视交叉上核，让体内的生物时钟可以与环境昼夜长短同步。实验发现受试者在看不到外界完全不透光的密闭环境生活，还是能维持生理周期运作，不过周期会渐渐拉长从二十四小时变成二十五小时。
大脑细胞的各司其职
脑细胞按照其形态、功能不同分为神经细胞与神经胶细胞两大类。神经细胞接受环境的刺激，传递信息到大脑产生感觉、或经过大脑传到肌肉产生运动、腺体分泌等。神经胶细胞数量为神经细胞的十倍，其中寡树突胶细胞 (oligodendrocyte)，许旺细胞 (schwann cell) 围绕神经纤维形成髓鞘，增加神经信息传递速率。数量最多又常被忽略的星状神经胶细胞 (astrocyte) ，则负责维持神经细胞位置、提供养分与排除废物，像无微不至照顾神经细胞的保母。
星状神经胶细胞在生物钟中，扮演了重要的角色
英国剑桥大学医学研究委员会 (MRC) 分子生物实验室研究团队与Marco Brancaccio 博士利用显微影像仔细观察下视丘视交叉上核神经细胞、星状神经胶细胞的生物钟时间。视交叉上核的神经细胞是人体生物钟的标准时间，调控生理机能运作以二十四小时昼夜节律进行。为了观察星状神经胶细胞，他们利用特殊分子记号GFAP-GFP让星状神经胶细胞呈现萤光绿。研究团队出乎意料发现神经细胞、星状神经胶细胞不但有各自的生物钟，连调控、启动的时间也各自不同，这微妙的相互作用对视交叉上核生物时钟维持运作很重要。
研究团队一旦关掉实验动物身上生物钟重要基因 Cry，便发现它们视交叉上核功能以及日常行为变得混乱。为了进一步了解视交叉上核星状神经胶细胞在生物时钟的角色，研究团队只有让实验动物脑中星状神经胶细胞生物时钟基因恢复功能，而神经细胞生物时钟基因维持关闭。他们原本预期实验动物视交叉上核功能以及日常行为仍然混乱，因为即使科学家渐渐发现星状神经胶细胞还能调节神经细胞活性 、发炎反应、为神经细胞绝缘、与其他星状神经胶细胞、神经细胞传递信息，但是重要性、功能应该完全比不上神经细胞。没想到星状神经胶细胞生物时钟竟然可以调节实验动物活动，在只有星状神经胶细胞生物钟正常运作之下，就可以看到实验动物活动恢复节律性。
研究团队将神经细胞生物钟正常运作的实验动物一起比较发现只有星状神经胶细胞生物时钟正常运作的实验动物视交叉上核活动节律提早一小时，星状神经胶细胞可以按本身细胞特殊节律调整动物活动。研究团队也发现大脑、中枢神经系统神经传导物麸胺酸 (glutamate) 将生物钟时间信号从正常运作的星状神经胶细胞传到没有生物时钟的神经细胞。通过之前研究科学家已经知道星状神经胶细胞参与生物钟运作，却完全没有想到星状神经胶细胞可以让神经细胞的生物钟重新运作，让他们跌破眼镜。这个发现让研究生物时钟的神经生物学家茅塞顿开，可以为睡眠障碍、时差甚至癌症、糖尿病、身心疾患、痴呆症开启新的研究方向寻找前所未见的治疗方法。
参考资料：
Marco Brancaccio, Mathew D. Edwards, Andrew P. Patton, Nicola J. Smyllie, Johanna E. Chesham, Elizabeth S. Maywood, Michael H. Hastings. Cell-autonomous clock of astrocytes drives circadian behavior in mammals. Science, 2019
