文獻(xiàn)解讀：薛天、鮑進(jìn)團(tuán)隊(duì)研究表明適宜的光刺激可促進(jìn)新生期大腦發(fā)育

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文獻(xiàn)精讀第35期

生命早期的感覺刺激對(duì)于哺乳動(dòng)物大腦的發(fā)育至關(guān)重要，視覺（光）作為哺乳動(dòng)物最重要的感覺之一，在大腦發(fā)育早期能夠促進(jìn)多腦區(qū)的協(xié)同發(fā)育和高級(jí)腦功能的形成。然而，這種調(diào)節(jié)的神經(jīng)生物學(xué)機(jī)制以及對(duì)大腦功能的影響程度目前仍然是未知的。

2022年8月8日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部的薛天教授、鮑進(jìn)研究員團(tuán)隊(duì)在Cell雜志上發(fā)表題為“Melanopsin retinal ganglion cells mediate light-promoted brain development”的研究論文。該文章證實(shí)了新生鼠視網(wǎng)膜自感光神經(jīng)節(jié)細(xì)胞（intrinsically photosensitive Retinal Ganglion Cell, ipRGC）可通過(guò)激活催產(chǎn)素釋放神經(jīng)元來(lái)促進(jìn)皮層突觸的發(fā)生，從而確保成年小鼠具備適當(dāng)學(xué)習(xí)能力。
 

在哺乳動(dòng)物的視網(wǎng)膜中，光線感知是由三種光感受器來(lái)傳遞的：視桿細(xì)胞、視錐細(xì)胞和ipRGCs。視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞介導(dǎo)形成圖像視覺的光感知，而ipRGCs則主要介導(dǎo)非圖像視覺（non-imagevisual,NIV）的光感知。ipRGCs直接投射到皮層下的多個(gè)區(qū)域，包括調(diào)節(jié)晝夜節(jié)律光同步的視交叉上核（SCN），調(diào)控瞳孔對(duì)光反射的橄欖頂蓋前核（OPN），以及用于情緒調(diào)節(jié)的小腦周圍核（pHb）等。在新生動(dòng)物中，ipRGCs對(duì)光線的感知比視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞要早得多，提示ipRGCs可能在光促進(jìn)早期大腦發(fā)育中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

為了探討ipRGCs在大腦早期發(fā)育中作用，作者首先在動(dòng)物體內(nèi)敲除了編碼ipRGCs感光蛋白Melanopsin的基因Opn4。新生鼠ipRGCs感光能力缺失（Opn4^-/-）導(dǎo)致大腦中多個(gè)感覺皮層和海馬椎體神經(jīng)元自發(fā)微小興奮性突觸后電流（mEPSC）頻率顯著降低，且椎體神經(jīng)元的樹突棘數(shù)量也顯著減少；而在完全避光飼養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)中，Opn4^-/-與對(duì)照小鼠皮層和海馬椎體神經(jīng)元的mEPSC沒有顯著差異。此外，通過(guò)病毒介導(dǎo)Opn4^-/-新生鼠的ipRGCs中快速表達(dá)Melanopsin成功拯救了皮層椎體神經(jīng)元的mEPSC頻率。這些結(jié)果表明，在早期發(fā)育過(guò)程中，ipRGCs介導(dǎo)的光感知參與了皮層突觸的發(fā)生和功能連接形成。
 

考慮到新生鼠ipRGCs感光能力缺失會(huì)引起廣泛的皮層突觸發(fā)生減少，作者進(jìn)一步探討了其內(nèi)在的細(xì)胞和環(huán)路機(jī)制。通過(guò)質(zhì)譜檢測(cè)，作者觀察到Opn4^-/-新生鼠腦脊液中催產(chǎn)素水平顯著降低。結(jié)合神經(jīng)示蹤以及環(huán)路調(diào)控等手段，作者證實(shí)，ipRGCs與視上核（Supraoptic Nucleus, SON）催產(chǎn)素神經(jīng)元進(jìn)行單突觸接觸，而SON催產(chǎn)素神經(jīng)元又進(jìn)一步投射到室旁核（Paraventricular Nucleus, PVN）催產(chǎn)素神經(jīng)元；并且ipRGCs介導(dǎo)的光感知能夠激活SON和PVN中的催產(chǎn)素神經(jīng)元，從而刺激催產(chǎn)素的釋放并促進(jìn)大腦多個(gè)區(qū)域的突觸發(fā)生。
 

最后作者研究了發(fā)育早期光感知對(duì)對(duì)成年后高級(jí)認(rèn)知功能的影響程度，在獎(jiǎng)勵(lì)/懲罰相關(guān)的聲音辨別任務(wù)中，作者觀察到兩月齡的Opn4^-/-小鼠表現(xiàn)出學(xué)習(xí)速度緩慢的缺陷，這種缺陷可以通過(guò)在出生后（P0）在ipRGCs中重新表達(dá)Melanopsin或從出生開始激活SON中的催產(chǎn)素能神經(jīng)元而得到拯救。
 

總的來(lái)說(shuō)，該研究揭示了ipRGCs的早期光感知能過(guò)通過(guò)ipRGCs- SON –PVN環(huán)路激活下丘腦的催產(chǎn)素神經(jīng)元，從而促進(jìn)皮質(zhì)突觸發(fā)生。此外，作者還證明了ipRGCs的早期光感知對(duì)成年后的學(xué)習(xí)能力至關(guān)重要。這些結(jié)果強(qiáng)調(diào)了早期的光感知對(duì)后期學(xué)習(xí)能力發(fā)展的重要性，同時(shí)也給我們一個(gè)警示：新生嬰兒的成長(zhǎng)需要適宜的光環(huán)境，這對(duì)于嬰兒大腦的發(fā)育乃至今后的學(xué)習(xí)能力至關(guān)重要。
 

研究方法亮點(diǎn)

這項(xiàng)工作在探索光感知促進(jìn)腦發(fā)育的神經(jīng)機(jī)制方面取得突破性進(jìn)展。研究用到了電生理記錄、腦立體定位注射、質(zhì)譜檢測(cè)、化學(xué)遺傳學(xué)、行為學(xué)評(píng)估以及免疫組化等實(shí)驗(yàn)技術(shù)。瑞沃德深耕生命科學(xué)研究領(lǐng)域20年，一直致力于為客戶提供可信賴的解決方案和服務(wù)。在該研究中，作者用到了瑞沃德公司生產(chǎn)的腦立體定位注射系統(tǒng)，為實(shí)驗(yàn)的順利開展提供了支持。此外，瑞沃德還可提供該研究所涉及的電生理記錄、化學(xué)遺傳學(xué)、行為學(xué)評(píng)估以及免疫組化的完整解決方案。截至目前，瑞沃德產(chǎn)品及服務(wù)覆蓋海內(nèi)外100多個(gè)國(guó)家和地區(qū)，客戶涵蓋全球700+醫(yī)院，1000+科研院所，6000+高等院校，已助力全球科研人員發(fā)表SCI文章14500+，獲得行業(yè)廣泛認(rèn)可。
 

原文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.07.009