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

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。

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。

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）。

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。

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）。

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

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