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近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部薛天教授、鮑進(jìn)研究員團(tuán)隊(duì)在揭示光促進(jìn)哺乳動(dòng)物幼年大腦發(fā)育的神經(jīng)機(jī)制方面取得突破性進(jìn)展。相關(guān)研究成果日前發(fā)表在國(guó)際著名期刊《細(xì)胞》上。

作為人類最重要的感知覺(jué)輸入，發(fā)育早期視覺(jué)（光）感知能促進(jìn)多腦區(qū)的協(xié)同發(fā)育和高級(jí)腦功能的形成。先前的研究表明，在出生后即完全避光暗飼養(yǎng)會(huì)導(dǎo)致幼鼠多個(gè)感知覺(jué)皮層突觸形成減緩，其中神經(jīng)肽催產(chǎn)素可能是介導(dǎo)該過(guò)程的關(guān)鍵分子。然而，在發(fā)育早期視覺(jué)（光）是如何被感知、通過(guò)何種神經(jīng)環(huán)路和分子機(jī)制促進(jìn)多腦區(qū)協(xié)同發(fā)育，以及幼年的視覺(jué)（光）剝奪對(duì)成年高級(jí)腦功能的影響尚不清晰。

哺乳動(dòng)物的視覺(jué)感知起始于視網(wǎng)膜。哺乳動(dòng)物視網(wǎng)膜中主要存在三類感光細(xì)胞：視桿細(xì)胞、視錐細(xì)胞和視網(wǎng)膜自感光神經(jīng)節(jié)細(xì)胞。不同于介導(dǎo)視覺(jué)圖像編碼的經(jīng)典成像視覺(jué)感光細(xì)胞——視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞，視網(wǎng)膜自感光神經(jīng)節(jié)細(xì)胞通過(guò)其基因Opn4編碼的感光蛋白視黑素特異性感知藍(lán)光波段的光，并主要介導(dǎo)非成像視覺(jué)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。在發(fā)育過(guò)程中，視網(wǎng)膜自感光神經(jīng)節(jié)細(xì)胞是最早具有感光功能的視網(wǎng)膜感光細(xì)胞，這暗示它可能是介導(dǎo)光促進(jìn)幼年大腦發(fā)育最關(guān)鍵的感光細(xì)胞。

研究人員首先通過(guò)敲除編碼視網(wǎng)膜自感光神經(jīng)節(jié)細(xì)胞感光蛋白的基因Opn4，發(fā)現(xiàn)缺失該細(xì)胞感光能力的新生鼠在出生后發(fā)育早期，其多個(gè)感覺(jué)皮層和海馬椎體神經(jīng)元的自發(fā)微小興奮性突觸后電流頻率顯著降低，且形態(tài)學(xué)顯示椎體神經(jīng)元的樹突棘數(shù)量也顯著減少，而在出生后即完全避光暗飼養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)中，對(duì)照組與缺失該細(xì)胞感光能力的新生鼠皮層和海馬的突觸功能與數(shù)量沒(méi)有顯著差異。

這一結(jié)果提示，視網(wǎng)膜自感光神經(jīng)節(jié)細(xì)胞在出生后可能介導(dǎo)了光促進(jìn)大腦突觸發(fā)生的現(xiàn)象。進(jìn)一步，通過(guò)在缺失該細(xì)胞感光能力的新生鼠視網(wǎng)膜該細(xì)胞中重新快速表達(dá)感光蛋白，可以促進(jìn)其皮層和海馬的突觸發(fā)生顯著提高，證明在發(fā)育早期，該細(xì)胞是介導(dǎo)小鼠早期光感受促進(jìn)腦高級(jí)認(rèn)知區(qū)域突觸發(fā)生的充分且必要的條件。

為了進(jìn)一步探究該細(xì)胞的光感知促進(jìn)皮層和海馬突觸發(fā)生的環(huán)路和分子機(jī)制，研究人員通過(guò)質(zhì)譜檢測(cè)、新生小鼠腦及視網(wǎng)膜神經(jīng)示蹤和調(diào)控，發(fā)現(xiàn)當(dāng)該細(xì)胞被光激活后，會(huì)通過(guò)視網(wǎng)膜至下丘腦的視網(wǎng)膜自感光神經(jīng)節(jié)細(xì)胞—視上核—室旁核神經(jīng)環(huán)路，激活視上核和室旁核的催產(chǎn)素神經(jīng)元，進(jìn)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，直接促進(jìn)了多個(gè)大腦皮層和海馬的突觸形成。

為了探究發(fā)育早期光促進(jìn)腦突觸發(fā)育對(duì)成年后高級(jí)腦認(rèn)知能力的影響，研究人員通過(guò)訓(xùn)練小鼠學(xué)習(xí)不同頻率的聲音刺激與獎(jiǎng)勵(lì)/懲罰的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)幼年期該細(xì)胞光感受的缺失，會(huì)導(dǎo)致小鼠成年后的學(xué)習(xí)速度顯著下降，而這種成年后學(xué)習(xí)能力的缺陷可以被幼年時(shí)人為激活該細(xì)胞或視上核的催產(chǎn)素神經(jīng)元所挽救。

綜上，這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)了發(fā)育早期視覺(jué)（光）感知促進(jìn)大腦高級(jí)認(rèn)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(jī)制，并揭示了發(fā)育早期光感知對(duì)成年腦高級(jí)認(rèn)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，進(jìn)一步探索光環(huán)境對(duì)新生兒大腦發(fā)育的影響。

記者丁一鳴