Avian circadian organization: A chorus of clocks

Abstract

In birds, biological clock function pervades all aspects of biology, controlling daily changes in sleep: wake, visual function, song, migratory patterns and orientation, as well as seasonal patterns of reproduction, song and migration. The molecular bases for circadian clocks are highly conserved, and it is likely the avian molecular mechanisms are similar to those expressed in mammals, including humans. The central pacemakers in the avian pineal gland, retinae and SCN dynamically interact to maintain stable phase relationships and then influence downstream rhythms through entrainment of peripheral oscillators in the brain controlling behavior and peripheral tissues. Birds represent an excellent model for the role played by biological clocks in human neurobiology; unlike most rodent models, they are diurnal, they exhibit cognitively complex social interactions, and their circadian clocks are more sensitive to the hormone melatonin than are those of nocturnal rodents.

The effects of light pollution on biological rhythms of birds: an integrated, mechanistic perspective

“…In birds, non visual light stimuli are mainly received in the retina, the hypothalamus (via the retinal hypothalamic tract, RHT), and in the pineal gland (Gwinner and Brandstätter 2001 ). At present, it is still unclear how this information is integrated between the different components of the avian central circadian system (Cassone 2013 ), but it is evident that the pineal gland plays a much bigger role than it does in mammals. One model, the "neuroendocrine loop", suggested that the retina, pineal gland, and an SCN like structure in the hypothalamus all contain "damped" oscillators that are capable of self producing oscillation only if photic or endocrine stimuli are present (Cassone and Menaker 1984 ).…”

“…Instead, the "internal resonance" model proposed that the pineal gland and the SCN sustain and stabilize each other through the expression of independent circadian outputs, such as the cyclic expression of specific clock genes in the SCN and the release of melatonin from the pineal gland (Gwinner 1989 ). Communication between the SCN and peripheral clocks in birds is accomplished via a combination of humoral signals and direct neural connections, which are far less understood in birds than in mammals (Cassone 2013 ). Humoral signals directly affect hypothalamic function, while neural outputs project to the central nervous systems and peripheral sites, impacting a broad range of peripheral physiological functions, including that of the pineal gland.…”

Avian central clocking system

“…Ptaki posiadają więc trzy oscylatory w CCS, które in vitro działają niezależnie od siebie, generując własny rytm uwalniania różnych związków chemicznych. W warunkach in vivo wypadkowa działań wszystkich oscylatorów skutkuje wspólnym rytmem biologicznym wielu procesów życiowych organizmu (14,21,33,56,66,90). Mechanizm współdziałania trzech oscylatorów CCS ptaków na poziomie molekularnym nie jest jeszcze, niestety, poznany.…”

“…Zmiany konformacji białka Cry są modyfikowane nie tylko przez światło, ale i pole magnetyczne. Cry jest także prawdopodobnie odpowiedzialny za utrzymywanie okresów bezsenności w trakcie nocnych przelotów ptaków migrujących, gdyż wykazywano wtedy szczegól-nie wysoką ekspresję jego genów (14,37,39,62,63).…”

“…rytm aktywności lokomotorycznej, pobierania pokarmu, snu i czuwania, sekrecji melatoniny) oraz roczne -sezonowe (np. reprodukcji, migracji, hibernacji, pierzenia, śpiewu), generowane przez wewnętrzny zegar biologiczny, którego aktywność jest synchronizowana z zewnętrznymi warunkami oświetlenia (14,21,55,56,66). Cykliczne procesy życiowe synchronizowane ze światłem otoczenia nazywane są także procesami lub odpowiedziami chronobiologicznymi.…”