近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)與醫學(xué)部薛天教授、鮑進(jìn)研究員團隊在揭示光促進(jìn)哺乳動(dòng)物幼年大腦發(fā)育的神經(jīng)機制方面取得突破性進(jìn)展。相關(guān)研究成果日前發(fā)表在國際著(zhù)名期刊《細胞》上。

　　作為人類(lèi)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)多腦區的協(xié)同發(fā)育和高級腦功能的形成。先前的研究表明，在出生后即完全避光暗飼養會(huì )導致幼鼠多個(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)路和分子機制促進(jìn)多腦區協(xié)同發(fā)育，以及幼年的視覺(jué)（光）剝奪對成年高級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(lèi)感光細胞：視桿細胞、視錐細胞和視網(wǎng)膜自感光神經(jīng)節細胞。不同于介導視覺(jué)圖像編碼的經(jīng)典成像視覺(jué)感光細胞——視桿細胞和視錐細胞，視網(wǎng)膜自感光神經(jīng)節細胞通過(guò)其基因Opn4編碼的感光蛋白視黑素特異性感知藍光波段的光，并主要介導非成像視覺(jué)功能，如晝夜節律光調節、瞳孔光反射和光調控情緒等。在發(fā)育過(guò)程中，視網(wǎng)膜自感光神經(jīng)節細胞是最早具有感光功能的視網(wǎng)膜感光細胞，這暗示它可能是介導光促進(jìn)幼年大腦發(fā)育最關(guān)鍵的感光細胞。

　　研究人員首先通過(guò)敲除編碼視網(wǎng)膜自感光神經(jīng)節細胞感光蛋白的基因Opn4，發(fā)現缺失該細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(zhù)降低，且形態(tài)學(xué)顯示椎體神經(jīng)元的樹(shù)突棘數量也顯著(zhù)減少，而在出生后即完全避光暗飼養的實(shí)驗中，對照組與缺失該細胞感光能力的新生鼠皮層和海馬的突觸功能與數量沒(méi)有顯著(zhù)差異。

　　這一結果提示，視網(wǎng)膜自感光神經(jīng)節細胞在出生后可能介導了光促進(jìn)大腦突觸發(fā)生的現象。進(jìn)一步，通過(guò)在缺失該細胞感光能力的新生鼠視網(wǎng)膜該細胞中重新快速表達感光蛋白，可以促進(jìn)其皮層和海馬的突觸發(fā)生顯著(zhù)提高，證明在發(fā)育早期，該細胞是介導小鼠早期光感受促進(jìn)腦高級認知區域突觸發(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)路和分子機制，研究人員通過(guò)質(zhì)譜檢測、新生小鼠腦及視網(wǎng)膜神經(jīng)示蹤和調控，發(fā)現當該細胞被光激活后，會(huì )通過(guò)視網(wǎng)膜至下丘腦的視網(wǎng)膜自感光神經(jīng)節細胞—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)育對成年后高級腦認知能力的影響，研究人員通過(guò)訓練小鼠學(xué)習不同頻率的聲音刺激與獎勵/懲罰的相關(guān)性，發(fā)現幼年期該細胞光感受的缺失，會(huì )導致小鼠成年后的學(xué)習速度顯著(zhù)下降，而這種成年后學(xué)習能力的缺陷可以被幼年時(shí)人為激活該細胞或視上核的催產(chǎn)素神經(jīng)元所挽救。

　　綜上，這項研究發(fā)現了發(fā)育早期視覺(jué)（光）感知促進(jìn)大腦高級認知區域神經(jīng)元突觸協(xié)同發(fā)育的感光、神經(jīng)環(huán)路和分子機制，并揭示了發(fā)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(guān)注新生兒日常的光環(huán)境，進(jìn)一步探索光環(huán)境對新生兒大腦發(fā)育的影響。

　　　　記者丁一鳴