Abstract Organisms use changes in photoperiod to anticipate and exploit favourable conditions in a seasonal environment. While species living at temperate latitudes receive day length information as a year-round input, species living in the Arctic may spend as much as two-thirds of the year without experiencing dawn or dusk. This suggests that specialised mechanisms may be required to maintain seasonal synchrony in polar regions. Svalbard ptarmigan ( Lagopus muta hyperborea ) are resident at 74-81° north latitude. They spend winter in constant darkness (DD) and summer in constant light (LL); extreme photoperiodic conditions under which they do not display overt circadian rhythms. Here we explored how arctic adaptation in circadian biology affects photoperiodic time measurement in captive Svalbard ptarmigan. For this purpose, DD-adapted birds, showing no circadian behaviour, either remained in prolonged DD, were transferred into a simulated natural photoperiod (SNP) or were transferred directly into LL. Birds transferred from DD to LL exhibited a strong photoperiodic response in terms of activation of the hypothalamic thyrotropin-mediated photoperiodic response pathway. This was assayed through expression of the Eya3, Tsh β and deiodinase genes, as well as gonadal development. While transfer to SNP established synchronous diurnal activity patterns, activity in birds transferred from DD to LL showed no evidence of circadian rhythmicity. These data show that the Svalbard ptarmigan does not require circadian entrainment to develop a photoperiodic response involving conserved molecular elements found in temperate species. Further studies are required to define how exactly arctic adaptation modifies seasonal timer mechanisms. Summary statement Svalbard ptarmigan show photoperiodic responses when transferred from constant darkness to constant light without circadian entrainment.

Abstract Background Hibernation is a physiological and behavioural adaptation that permits survival during periods of reduced food availability and extreme environmental temperatures. This is achieved through cycles of metabolic depression and reduced body temperature (torpor) and rewarming (arousal). Rewarming from torpor is achieved through the activation of brown adipose tissue (BAT) associated with a rapid increase in ventilation frequency. Here, we studied the rate of rewarming in the European hamster ( Cricetus cricetus ) by measuring both BAT temperature, core body temperature and ventilation frequency. Results Temperature was monitored in parallel in the BAT (IPTT tags) and peritoneal cavity (iButtons) during hibernation torpor-arousal cycling. We found that increases in brown fat temperature preceded core body temperature rises by about 48 min, with a maximum re-warming rate of 20.9°C*h −1 . Re-warming was accompanied by a significant increase in ventilation frequency. The rate of rewarming was slowed by the presence of a spontaneous thoracic mass in one of our animals. Core body temperature re-warming was reduced by 6.2°C*h −1 and BAT rewarming by 12°C*h −1 . Ventilation frequency was increased by 77% during re-warming in the affected animal compared to a healthy animal. Inspection of the position and size of the mass indicated it was obstructing the lungs and heart. Conclusions We have used a minimally invasive method to monitor BAT temperature during arousal from hibernation illustrating BAT re-warming significantly precedes core body temperature re-warming, informing future study design on arousal from hibernation. We also showed compromised re-warming from hibernation in an animal with a mass obstructing the lungs and heart, likely leading to inefficient ventilation and circulation.

Abstract Hibernation is an extreme state of seasonal energy conservation, reducing metabolic rate to as little as 1% of the active state. During the hibernation season, many species of hibernating mammals cycle repeatedly between the active (aroused) and hibernating (torpid) states (T-A cycling), using brown adipose tissue (BAT) to drive cyclical rewarming. The regulatory mechanisms controlling this process remain undefined but are presumed to involve thermoregulatory centres in the hypothalamus. Here, we use the golden hamster ( Mesocricetus auratus ), and high-resolution monitoring of BAT, core body temperature (T b ), and ventilation rate, to sample at precisely defined phases of the T-A cycle. Using c-fos as a marker of cellular activity we show that although the dorso-medial hypothalamus (DMH) is active during torpor entry, neither it nor the pre-optic area (POA) show any significant changes during the earliest stages of spontaneous arousal. Contrastingly, in 3 non-neuronal sites previously linked to control of metabolic physiology over seasonal and daily timescales, the choroid plexus (CP), pars tuberalis (PT) and third ventricle tanycytes, peak c-fos expression is seen at arousal initiation. We suggest that through their sensitivity to factors in the blood or cerebrospinal fluid (CSF), these sites may mediate metabolic feedback-based initiation of the spontaneous arousal process.