【新發(fā)現(xiàn)】

作者：杜旭飛（中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心副研究員）

日出而作，日落而息。在人類行為的背后，是生物鐘的調(diào)控。發(fā)育或許也是如此。日前，我國科學(xué)家以經(jīng)典的視網(wǎng)膜-視頂蓋突觸為模型，運(yùn)用在體雙光子長時程成像，發(fā)現(xiàn)了發(fā)育早期突觸形成速率存在晝夜節(jié)律性，為生物鐘參與調(diào)節(jié)動物發(fā)育過程奠定了重要理論基礎(chǔ)，為認(rèn)識神經(jīng)環(huán)路連接建立的發(fā)育規(guī)律提供了重要實驗依據(jù)。

【資料圖】

該研究由中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心、神經(jīng)科學(xué)國家重點實驗室杜久林研究組完成，論文6月2日在線發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《自然-通訊》上。

晝夜節(jié)律是生物體的一種計時現(xiàn)象，通常受到外界環(huán)境因素（如光照和溫度）的影響，并以24小時為周期進(jìn)行振蕩。在生理條件下，生物鐘協(xié)調(diào)著神經(jīng)、內(nèi)分泌、心血管、免疫、代謝以及較多其他生物系統(tǒng)的功能。然而，除了在諸如斑馬魚幼魚的細(xì)胞周期、果蠅的羽化以及哺乳動物腎臟器官形成中有少量報道外，關(guān)于生物鐘是否以及如何調(diào)節(jié)生物體早期發(fā)育過程的認(rèn)識相對匱乏。

為了回答這一問題，研究人員選用斑馬魚幼魚的視網(wǎng)膜-視頂蓋突觸來探究神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)即“突觸發(fā)生”過程是否受到生物鐘的調(diào)節(jié)。斑馬魚是在體研究早期發(fā)育過程的理想模式脊椎動物——它的視網(wǎng)膜-視頂蓋系統(tǒng)是在體研究神經(jīng)纖維和突觸發(fā)育的經(jīng)典模型。

科研人員應(yīng)用在體光學(xué)成像技術(shù)，對同一個活體樣本中的同一個對象進(jìn)行長時程觀測，并對發(fā)育的動態(tài)過程進(jìn)行細(xì)致觀察?？蒲腥藛T前期工作建立了特異標(biāo)記視網(wǎng)膜-視頂蓋突觸的轉(zhuǎn)基因斑馬魚模型，這項研究正是利用該模型，來探究突觸發(fā)生是否具有晝夜節(jié)律性。

研究人員將出生后的斑馬魚幼魚放在正常亮暗光照條件下，經(jīng)過4天的訓(xùn)練或牽引后，開展以6小時為時間間隔、持續(xù)兩天的長時程成像。分析發(fā)現(xiàn)，突觸數(shù)量的增長速率存在白天快、夜晚慢的晝夜振蕩。這一振蕩現(xiàn)象在亮暗光照牽引后轉(zhuǎn)入持續(xù)亮或持續(xù)暗的光照條件，或者經(jīng)過反向的暗亮光照條件牽引后都能保持，而在生物鐘基因突變體中消失，提示這一振蕩受到內(nèi)源生物鐘系統(tǒng)調(diào)節(jié)，具有晝夜節(jié)律性。之后，研究人員通過高時間分辨率成像分析突觸發(fā)育的動態(tài)過程，發(fā)現(xiàn)這一節(jié)律是由突觸形成而非突觸消除速率的晝夜差異所致。

進(jìn)一步，科研人員發(fā)現(xiàn)突觸生長速率的節(jié)律性在下丘腦食欲素能神經(jīng)系統(tǒng)功能阻斷后消失，提示該系統(tǒng)參與調(diào)節(jié)突觸發(fā)育節(jié)律現(xiàn)象。該研究通過生物鐘基因突變或食欲素能神經(jīng)元受體突變破壞突觸發(fā)生的節(jié)律性，發(fā)現(xiàn)可以造成視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)神經(jīng)元軸突分枝變大、復(fù)雜度降低，突觸數(shù)量減少、在軸突分枝區(qū)域中的密度降低和排布不均衡的結(jié)構(gòu)變化；通過檢測突觸后視頂蓋神經(jīng)元的感受野，發(fā)現(xiàn)其感受野發(fā)生了與突觸前神經(jīng)元軸突分枝變大相呼應(yīng)的增大現(xiàn)象，即其視銳度功能發(fā)育受到影響。

該研究揭示了生物鐘對生物體早期發(fā)育過程具有調(diào)節(jié)作用，擴(kuò)展了生物鐘的功能譜；闡釋了神經(jīng)系統(tǒng)環(huán)路發(fā)育過程中的新的調(diào)節(jié)機(jī)制。有評論認(rèn)為，這項工作發(fā)現(xiàn)的參與睡眠-覺醒調(diào)節(jié)的下丘腦食欲素能神經(jīng)元作為生物鐘的下游參與調(diào)節(jié)此節(jié)律現(xiàn)象，為探索生物鐘與睡眠-覺醒的相互作用以及生物鐘的輸出路徑提供了新的研究思路。

《光明日報》（ 2023年06月15日 16版）