運動軌跡跟蹤系統(tǒng)在環(huán)境光研究的應用
長期處于昏暗光線環(huán)境下會“變笨”
環(huán)境光線條件在人類的生理和行為過程中發(fā)揮著重要作用，包括生理覺醒、喚醒度、情緒和認知等各個方面。已有許多研究驗證了明亮光線有利于提高認知功能，如明亮的教室照明提高了小學生的數(shù)學和閱讀能力；辦公室光線明亮有利于提高工作績效；燈光療法有利于緩解早期癡呆人群的認知惡化。
談到光線條件，人們往往對光污染或者明亮光線條件對生態(tài)環(huán)境和身體健康的影響關注的比較多，但對光線不足、昏暗光線環(huán)境會造成哪些后果卻關注甚少。盡管有這么多研究成果，但人們對關于光調(diào)節(jié)認知功能的神經(jīng)機制并不是很清楚，所以需要進一步研究與驗證。
近期有一個發(fā)表在Hippocampus上的使用Noldus的動物運動軌跡跟蹤系統(tǒng)(自動跟蹤和分析動物運動、活動和行為的高級系統(tǒng))進行的關于光線條件對尼羅河草鼠(Nile grass rats)的認知功能和空間學習能力的影響的研究，由密歇根州立大學神經(jīng)科學家們Joel E .Soler等人共同完成，該研究首次證實了環(huán)境光變化會改變大腦結(jié)構(gòu)，證實了明亮的光線有利于認知功能和空間學習能力的發(fā)展，昏暗的光線導致認知功能、學習能力下降。換言之，長期處于昏暗光線環(huán)境下會“變笨”！
研究人員采用的實驗樣本是尼羅河草鼠(為期5天，每天2次，實驗間隔30s)，主要原因有兩個：
一、該動物是用于研究空間學習與記憶、認知功能等最常用的試驗動物模型；二、尼羅河草鼠(Nile grass rats)與人類相似，都是晝行動物，白天活動，晚上睡覺。研究人員們通過水迷宮試驗、免疫組化和高爾基染色法等方法來對處于不同環(huán)境光條件下的動物表現(xiàn)及變化進行了綜合分析與比較。
以下是主要研究結(jié)果：其中brLD=明亮光線環(huán)境 ；dimLD=昏暗光線環(huán)境；dim-brLD=從昏暗光線環(huán)境轉(zhuǎn)移到明亮光線環(huán)境。
1、昏暗光線環(huán)境導致水迷宮任務表現(xiàn)不佳
如上圖圖1所示，在第1次試驗中，明亮光線組和昏暗光線組動物的表現(xiàn)均有所提高（主要體現(xiàn)在逃避潛伏期下降），明亮光線組動物的表現(xiàn)要優(yōu)于處于昏暗光線組動物的表現(xiàn)(圖1A)；在第2次試驗中，兩組的表現(xiàn)無顯著差異(圖1B)。在空間探索試驗期間，去除平臺后，與昏暗光線組相比，明亮光線組動物在目標象限中專注尋找(圖1C)。兩組動物在目標象限中所花費的時間也有顯著差異，其中明亮光線組動物在目標象限中所花費的時間要比昏暗光線組的時間要長(圖1D；t(14)= 2.98, p= 0.01)。
2、明亮光線環(huán)境可恢復水迷宮任務表現(xiàn)
為了驗證空間學習和記憶能力受損是由光線原因?qū)е碌模?strong>研究人員將最初在昏暗光線條件下活動的動物轉(zhuǎn)移到了明亮的光線條件下。將其暴露于明亮光線環(huán)境四周之后再進行試驗，與昏暗光線組動物相比，發(fā)現(xiàn)其表現(xiàn)非常優(yōu)異(圖2A)。第2次試驗，兩組動物的逃避潛伏期數(shù)據(jù)無顯著差異(圖2B)。在空間探索試驗期間，去除平臺后，從昏暗光線轉(zhuǎn)移到明亮光線環(huán)境下的動物與昏暗光線組動物相比，前者在目標象限中專注尋找(圖2C)。兩組動物在目標象限中所花費的時間也有顯著差異，其中從昏暗光線轉(zhuǎn)移到明亮光線環(huán)境下的動物在目標象限中所花費的時間要比昏暗光線組的時間要長(圖2D；t(14)= 4.387, p=0.001)。
3、環(huán)境光可調(diào)節(jié)海馬BDNF表達
與明亮光線環(huán)境下的動物相比，昏暗光線環(huán)境下的動物，海馬腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(BDNF)有明顯減少(圖3A)。研究人員對海馬體的三個區(qū)域(CA1、CA3和DG)的腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子細胞進行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，昏暗光線環(huán)境下的動物，CA1、CA3和DG三個區(qū)域的腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子細胞數(shù)量均低于處于明亮光線環(huán)境下的動物，雖然只有CA1區(qū)域在統(tǒng)計學上有顯著差異(圖3B; t(10)= 3.05, p=0.012)。同樣的，從昏暗光線環(huán)境下轉(zhuǎn)移到明亮光線環(huán)境下的動物，其CA1、CA3和DG三個區(qū)域的腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子細胞數(shù)量均低于處于昏暗光線環(huán)境下的動物，其中CA1 (t(10)= 7.307, p<0.001)和CA3 (t(10)= 4.183, p= 0.002)兩個區(qū)域中有顯著差異。
4、環(huán)境光調(diào)節(jié)CA1頂端樹突形態(tài)
除了對腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(BDNF)表達有影響，環(huán)境光也調(diào)節(jié)海馬體的結(jié)構(gòu)可塑性。研究人員采用高爾基染色法(Golgi-stained)分別對處于不同環(huán)境光條件下動物海馬體的CA1區(qū)域進行了分析。從圖4A,B可以看出，昏暗環(huán)境光條件下的動物，CA1頂端樹突棘密度顯著降低(t(8)= 5.103, p=0.001)。而從昏暗環(huán)境光條件轉(zhuǎn)移到明亮環(huán)境光條件下的動物，其CA1頂端樹突棘密度顯著增加(圖4C,D;t(10)= 10.062, p<0.001)。
總結(jié)
綜上所述，昏暗光線會影響海馬體結(jié)構(gòu)可塑性，導致動物海馬體功能降低，并且在訓練過的空間任務方面表現(xiàn)較差；相反，處于明亮光線下的動物在空間任務方面表現(xiàn)較好。
其中的作用機制就是因為昏暗環(huán)境光導致海馬體腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子顯著減少，該物質(zhì)實際上是一種肽，能夠幫助維持海馬體和樹突棘中健康的連接，或者允許神經(jīng)元“互相交流”的連接。研究人員Joel E .Soler提到，海馬體腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子的顯著減少，使得該連接也變少了。由于連接減少，從而導致依賴于海馬體的學習和記憶表現(xiàn)不佳，就“變笨”了。
該研究為更好地理解環(huán)境光調(diào)節(jié)晝行生物認知功能奠定了基礎，對從環(huán)境光設計角度促進認知功能的發(fā)展具有重要意義，對臨床上預防和治療認知功能損傷提供了新的見解與方向。
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