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EVIDENT助力中國科大揭示光感知促進腦發(fā)育神經(jīng)機制

瀏覽次數(shù):3032 發(fā)布日期:2022-9-28  來源:本站 本站原創(chuàng),轉(zhuǎn)載請注明出處

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本文作者:史逸銘 博士

中國科學技術(shù)大學 生命科學與醫(yī)學部

 

嬰幼兒后天的大腦發(fā)育需要豐富的感覺刺激(包括視覺、聽覺,觸覺等)。視覺(光)作為人類最重要的感知能力,在發(fā)育早期促進了多個大腦皮層的協(xié)同發(fā)育。然而,在發(fā)育早期視覺(光)是如何被感知、通過何種神經(jīng)環(huán)路和分子機制促進了大腦發(fā)育、以及對嬰幼兒成年后的認知學習能力的影響尚不明確。

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光的感知起始于視網(wǎng)膜。哺乳動物視網(wǎng)膜中主要存在三類感光細胞:編碼圖像、運動等成像視覺信息的視桿細胞(rods)和視錐細胞(cones),以及介導(dǎo)非成像視覺功能(如晝夜節(jié)律光調(diào)節(jié)、瞳孔光反射和光調(diào)控情緒等)的視網(wǎng)膜自感光神經(jīng)節(jié)細胞(intrinsically photosensitive retinal ganglion cells, ipRGCs)。
在發(fā)育過程中,ipRGCs是最早具有感光功能的視網(wǎng)膜感光細胞,這暗示ipRGCs可能是介導(dǎo)光促進幼年大腦發(fā)育最關(guān)鍵的感光細胞。

近日中國科學技術(shù)大學生命科學與醫(yī)學部薛天教授、鮑進研究員團隊利用小鼠為實驗?zāi)P停沂玖薸pRGCs的光感受促進哺乳動物幼年大腦發(fā)育的神經(jīng)機制及對成年后學習能力從促進作用。相關(guān)研究成果以“Melanopsin retinal ganglion cells mediate light-promoted brain development”為題發(fā)表在國際著名期刊《CELL》上。

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突觸生成(synaptogenesis)是哺乳動物出生后大腦發(fā)育的重要特征之一,其最顯著的指標是神經(jīng)元的自發(fā)微小興奮性突觸后電流(mEPSC)的頻率。研究人員利用基于Olympus顯微鏡(BX51WI)的離體腦片單細胞膜片鉗記錄系統(tǒng),發(fā)現(xiàn)缺失ipRGCs感光能力的新生鼠在出生后早期,其多個感覺皮層及海馬的椎體神經(jīng)元mEPSC頻率顯著性降低;而出生后如果立即完全避光暗飼養(yǎng),野生型新生鼠也出現(xiàn)同樣的mEPSC頻率降低的現(xiàn)象。

同時,通過突觸形態(tài)觀察分析,研究人員發(fā)現(xiàn)缺失ipRGCs感光能力的新生鼠多個感覺皮層及海馬的椎體神經(jīng)元樹突棘數(shù)量顯著減少。這些結(jié)果暗示ipRGCs的光感受在出生后早期可能介導(dǎo)了光促進大腦突觸發(fā)生的現(xiàn)象。出生后在ipRGCs快速表達其感光蛋白melanopsin,可以顯著提高ipRGCs感光能力缺失的新生鼠皮層和海馬的突觸生成,證明在發(fā)育早期,ipRGCs是介導(dǎo)小鼠早期光感受促進腦高級認知區(qū)域突觸發(fā)生的充分且必要的條件(圖1)。

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圖1:發(fā)育早期ipRGCs介導(dǎo)的光感知通過激活視上核(SON)和室旁核(PVN)的催產(chǎn)素神經(jīng)元,促進不同大腦高級認知區(qū)域(大腦皮層、海馬等)神經(jīng)元突觸的協(xié)同發(fā)育。

進一步研究人員證明當ipRGCs被光激活后,會通過視網(wǎng)膜至下丘腦的ipRGCs - 視上核(SON) - 室旁核(PVN)神經(jīng)環(huán)路,激活視上核和室旁核的催產(chǎn)素神經(jīng)元,進而提升了腦脊液中的催產(chǎn)素濃度;而催產(chǎn)素作為神經(jīng)元突觸建立的關(guān)鍵調(diào)控分子之一,其濃度的提升促進了多個大腦皮層和海馬的突觸生成(圖1)。通過離體腦片孵育催產(chǎn)素或出生后持續(xù)激活SON的催產(chǎn)素神經(jīng)元,能促進ipRGCs感光能力缺失的新生鼠多個感覺皮層及海馬的椎體神經(jīng)元的突觸生成,進一步證明了發(fā)育早期ipRGCs的感光通過增加催產(chǎn)素的分泌而促進大腦發(fā)育。

發(fā)育早期ipRGCs光感受對大腦突觸生成的促進作用,能顯著提升小鼠成年后的學習能力。研究人員通過訓練小鼠學習不同頻率的聲音刺激與獎勵/懲罰的相關(guān)性,證明幼年期ipRGCs光感受的缺失,會導(dǎo)致小鼠成年后的學習速度顯著下降(圖2),而這種成年后學習能力的缺陷可以被出生后早期人為激活ipRGCs或視上核的催產(chǎn)素神經(jīng)元所挽救。

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圖2:發(fā)育早期ipRGCs介導(dǎo)的光感知提高成年后小鼠的學習能力。

(示意圖由中國科學技術(shù)大學人文與社會科學學院劉慧老師完善)

這項研究揭示了發(fā)育早期視覺(光)感知促進小鼠大腦高級認知區(qū)域神經(jīng)元突觸協(xié)同發(fā)育的感光、神經(jīng)環(huán)路和分子機制,并揭示了發(fā)育早期光感知對成年腦高級認知能力的影響。該研究成果提示公共衛(wèi)生研究應(yīng)關(guān)注新生兒日常的光環(huán)境,同時也為開發(fā)有利于新生兒大腦認知發(fā)育的環(huán)境光照明設(shè)備提供一定的科學指導(dǎo)基礎(chǔ)。
 

本研究中椎體神經(jīng)元的mEPSC的所有數(shù)據(jù)采集,均來自基于Olympus顯微鏡(BX51WI)搭建的膜片鉗記錄系統(tǒng)(圖3)。

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圖3:基于Olympus顯微鏡(BX51WI)搭建的膜片鉗記錄系統(tǒng)

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對于在電生理實驗中的應(yīng)用,Olympus BX51WI擁有一系列優(yōu)點。

首先是值得信賴的穩(wěn)定性。進行電生理實驗時,轉(zhuǎn)換物鏡時產(chǎn)生的震動往往會影響實驗的可重復(fù)性。為解決這個問題,Evident引入了中間變倍體,并和20X高NA值長工作距離物鏡(NA 1.0; W.D 2.0 mm)聯(lián)用,讓使用者可以更少地進行物鏡轉(zhuǎn)換。
此外,BX51WI可輕松地進行熒光及IR-DIC觀察。BX51WI的應(yīng)用范圍也很廣。無論是小鼠等小動物實驗,光活化實驗,顯微注射實驗還是細胞觀察等實驗,都可以輕松完成。

中國科學技術(shù)大學生命科學與醫(yī)學部博士生胡佳希、博士生史逸銘和鮑進特任研究員(現(xiàn)為中國科學院深圳先進技術(shù)研究院研究員)為本文的共同第一作者,中國科學技術(shù)大學生命科學與醫(yī)學部教授薛天和中國科學技術(shù)大學生命科學與醫(yī)學部特任研究員鮑進為本文的共同通訊作者。該成果得到了科技部、國家基金委、峰基金、安徽省、中科院以及中國科學技術(shù)大學的資助。

 

// 通訊作者

 

薛天:

中國科學技術(shù)大學生命科學與醫(yī)學部教授

中國生理學會常務(wù)理事

 

 

 

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鮑進:

中國科學技術(shù)大學生命科學與醫(yī)學部特任研究員(現(xiàn)為中國科學院深圳先進技術(shù)研究院研究員)

論文鏈接:https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(22)00912-6

相關(guān)公司:儀景通光學科技(上海)有限公司
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