文獻解讀：薛天、鮑進團隊研究表明適宜的光刺激可促進新生期大腦發(fā)育

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文獻精讀第35期

生命早期的感覺刺激對于哺乳動物大腦的發(fā)育至關重要，視覺（光）作為哺乳動物最重要的感覺之一，在大腦發(fā)育早期能夠促進多腦區(qū)的協(xié)同發(fā)育和高級腦功能的形成。然而，這種調節(jié)的神經生物學機制以及對大腦功能的影響程度目前仍然是未知的。

2022年8月8日，中國科學技術大學生命科學與醫(yī)學部的薛天教授、鮑進研究員團隊在Cell雜志上發(fā)表題為“Melanopsin retinal ganglion cells mediate light-promoted brain development”的研究論文。該文章證實了新生鼠視網膜自感光神經節(jié)細胞（intrinsically photosensitive Retinal Ganglion Cell, ipRGC）可通過激活催產素釋放神經元來促進皮層突觸的發(fā)生，從而確保成年小鼠具備適當學習能力。
 

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

為了探討ipRGCs在大腦早期發(fā)育中作用，作者首先在動物體內敲除了編碼ipRGCs感光蛋白Melanopsin的基因Opn4。新生鼠ipRGCs感光能力缺失（Opn4^-/-）導致大腦中多個感覺皮層和海馬椎體神經元自發(fā)微小興奮性突觸后電流（mEPSC）頻率顯著降低，且椎體神經元的樹突棘數(shù)量也顯著減少；而在完全避光飼養(yǎng)的實驗中，Opn4^-/-與對照小鼠皮層和海馬椎體神經元的mEPSC沒有顯著差異。此外，通過病毒介導Opn4^-/-新生鼠的ipRGCs中快速表達Melanopsin成功拯救了皮層椎體神經元的mEPSC頻率。這些結果表明，在早期發(fā)育過程中，ipRGCs介導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感光能力缺失會引起廣泛的皮層突觸發(fā)生減少，作者進一步探討了其內在的細胞和環(huán)路機制。通過質譜檢測，作者觀察到Opn4^-/-新生鼠腦脊液中催產素水平顯著降低。結合神經示蹤以及環(huán)路調控等手段，作者證實，ipRGCs與視上核（Supraoptic Nucleus, SON）催產素神經元進行單突觸接觸，而SON催產素神經元又進一步投射到室旁核（Paraventricular Nucleus, PVN）催產素神經元；并且ipRGCs介導的光感知能夠激活SON和PVN中的催產素神經元，從而刺激催產素的釋放并促進大腦多個區(qū)域的突觸發(fā)生。
 

最后作者研究了發(fā)育早期光感知對對成年后高級認知功能的影響程度，在獎勵/懲罰相關的聲音辨別任務中，作者觀察到兩月齡的Opn4^-/-小鼠表現(xiàn)出學習速度緩慢的缺陷，這種缺陷可以通過在出生后（P0）在ipRGCs中重新表達Melanopsin或從出生開始激活SON中的催產素能神經元而得到拯救。
 

總的來說，該研究揭示了ipRGCs的早期光感知能過通過ipRGCs- SON –PVN環(huán)路激活下丘腦的催產素神經元，從而促進皮質突觸發(fā)生。此外，作者還證明了ipRGCs的早期光感知對成年后的學習能力至關重要。這些結果強調了早期的光感知對后期學習能力發(fā)展的重要性，同時也給我們一個警示：新生嬰兒的成長需要適宜的光環(huán)境，這對于嬰兒大腦的發(fā)育乃至今后的學習能力至關重要。
 

研究方法亮點

這項工作在探索光感知促進腦發(fā)育的神經機制方面取得突破性進展。研究用到了電生理記錄、腦立體定位注射、質譜檢測、化學遺傳學、行為學評估以及免疫組化等實驗技術。瑞沃德深耕生命科學研究領域20年，一直致力于為客戶提供可信賴的解決方案和服務。在該研究中，作者用到了瑞沃德公司生產的腦立體定位注射系統(tǒng)，為實驗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、化學遺傳學、行為學評估以及免疫組化的完整解決方案。截至目前，瑞沃德產品及服務覆蓋海內外100多個國家和地區(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)廣泛認可。
 

原文鏈接：

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