EVIDENT助力中國科大揭示光感知促進腦發育神經機制

瀏覽次數：2888　發布日期：2022-9-28　來源：本站　本站原創，轉載請注明出處

本文作者：史逸銘博士

中國科學技術大學生命科學與醫學部

嬰幼兒后天的大腦發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，在發育早期促進了多個大腦皮層的協同發育。然而，在發育早期視覺（光）是如何被感知、通過何種神經環路和分子機制促進了大腦發育、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膜。哺乳動物視網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），以及介導非成像視覺功能（如晝夜節律光調節、瞳孔光反射和光調控情緒等）的視網膜自感光神經節細胞（intrinsically photosensitive retinal ganglion cells, ipRGCs）。

在發育過程中，ipRGCs是最早具有感光功能的視網膜感光細胞，這暗示ipRGCs可能是介導光促進幼年大腦發育最關鍵的感光細胞。

近日中國科學技術大學生命科學與醫學部薛天教授、鮑進研究員團隊利用小鼠為實驗模型，揭示了ipRGCs的光感受促進哺乳動物幼年大腦發育的神經機制及對成年后學習能力從促進作用。相關研究成果以“Melanopsin retinal ganglion cells mediate light-promoted brain development”為題發表在國際著名期刊《CELL》上。

突觸生成（synaptogenesis）是哺乳動物出生后大腦發育的重要特征之一，其最顯著的指標是神經元的自發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，發現缺失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元mEPSC頻率顯著性降低；而出生后如果立即完全避光暗飼養，野生型新生鼠也出現同樣的mEPSC頻率降低的現象。

同時，通過突觸形態觀察分析，研究人員發現缺失ipRGCs感光能力的新生鼠多個感覺皮層及海馬的椎體神經元樹突棘數量顯著減少。這些結果暗示ipRGCs的光感受在出生后早期可能介導了光促進大腦突觸發生的現象。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，證明在發育早期，ipRGCs是介導小鼠早期光感受促進腦高級認知區域突觸發生的充分且必要的條件（圖1）。

圖1：發育早期ipRGCs介導的光感知通過激活視上核(SON)和室旁核(PVN)的催產素神經元，促進不同大腦高級認知區域（大腦皮層、海馬等）神經元突觸的協同發育。

進一步研究人員證明當ipRGCs被光激活后，會通過視網膜至下丘腦的ipRGCs - 視上核(SON) - 室旁核(PVN)神經環路，激活視上核和室旁核的催產素神經元，進而提升了腦脊液中的催產素濃度；而催產素作為神經元突觸建立的關鍵調控分子之一，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素或出生后持續激活SON的催產素神經元，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元的突觸生成，進一步證明了發育早期ipRGCs的感光通過增加催產素的分泌而促進大腦發育。

發育早期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/懲罰的相關性，證明幼年期ipRGCs光感受的缺失，會導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或視上核的催產素神經元所挽救。

圖2：發育早期ipRGCs介導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）

這項研究揭示了發育早期視覺（光）感知促進小鼠大腦高級認知區域神經元突觸協同發育的感光、神經環路和分子機制，并揭示了發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生研究應關注新生兒日常的光環境，同時也為開發有利于新生兒大腦認知發育的環境光照明設備提供一定的科學指導基礎。

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

圖3：基于Olympus顯微鏡（BX51WI）搭建的膜片鉗記錄系統

對于在電生理實驗中的應用，Olympus BX51WI擁有一系列優點。

首先是值得信賴的穩定性。進行電生理實驗時，轉換物鏡時產生的震動往往會影響實驗的可重復性。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）聯用，讓使用者可以更少地進行物鏡轉換。

此外，BX51WI可輕松地進行熒光及IR-DIC觀察。BX51WI的應用范圍也很廣。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。

中國科學技術大學生命科學與醫學部博士生胡佳希、博士生史逸銘和鮑進特任研究員（現為中國科學院深圳先進技術研究院研究員）為本文的共同第一作者，中國科學技術大學生命科學與醫學部教授薛天和中國科學技術大學生命科學與醫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大學的資助。

// 通訊作者

薛天：

中國科學技術大學生命科學與醫學部教授

中國生理學會常務理事