重要发现!薛天/鲍进团队最新研究表明适宜的光刺激可促进新生期大脑发育

重要发现!薛天/鲍进团队最新研究表明适宜的光刺激可促进新生期大脑发育

作者:RWD
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生命早期的感觉刺激对于哺乳动物大脑的发育至关重要,视觉(光)作为哺乳动物最重要的感觉之一,在大脑发育早期能够促进多脑区的协同发育和高级脑功能的形成。然而,这种调节的神经生物学机制以及对大脑功能的影响程度目前仍然是未知的。


2022年8月8日,中国科学技术大学生命科学与医学部的薛天教授、鲍进研究员团队在Cell杂志上发表题为“Melanopsin retinal ganglion cells mediate light-promoted brain development”的研究论文。该文章证实了新生鼠视网膜自感光神经节细胞(intrinsically photosensitive Retinal Ganglion Cell, ipRGC)可通过激活催产素释放神经元来促进皮层突触的发生,从而确保成年小鼠具备适当学习能力。


适宜的光刺激可促进新生期大脑发育


在哺乳动物的视网膜中,光线感知是由三种光感受器来传递的:视杆细胞、视锥细胞和ipRGCs。视杆细胞和视锥细胞介导形成图像视觉的光感知,而ipRGCs则主要介导非图像视觉(non-imagevisual,NIV)的光感知。ipRGCs直接投射到皮层下的多个区域,包括调节昼夜节律光同步的视交叉上核(SCN),调控瞳孔对光反射的橄榄顶盖前核(OPN),以及用于情绪调节的小脑周围核(pHb)等。在新生动物中,ipRGCs对光线的感知比视杆细胞和视锥细胞要早得多,提示ipRGCs可能在光促进早期大脑发育中发挥了关键作用。


为了探讨ipRGCs在大脑早期发育中作用,作者首先在动物体内敲除了编码ipRGCs感光蛋白Melanopsin的基因Opn4。新生鼠ipRGCs感光能力缺失(Opn4-/-)导致大脑中多个感觉皮层和海马椎体神经元自发微小兴奋性突触后电流(mEPSC)频率显著降低,且椎体神经元的树突棘数量也显著减少;而在完全避光饲养的实验中,Opn4-/-与对照小鼠皮层和海马椎体神经元的mEPSC没有显著差异。此外,通过病毒介导Opn4-/-新生鼠的ipRGCs中快速表达Melanopsin成功拯救了皮层椎体神经元的mEPSC频率。这些结果表明,在早期发育过程中,ipRGCs介导的光感知参与了皮层突触的发生和功能连接形成。


适宜的光刺激可促进新生期大脑发育


考虑到新生鼠ipRGCs感光能力缺失会引起广泛的皮层突触发生减少,作者进一步探讨了其内在的细胞和环路机制。通过质谱检测,作者观察到Opn4-/-新生鼠脑脊液中催产素水平显著降低。结合神经示踪以及环路调控等手段,作者证实,ipRGCs与视上核(Supraoptic Nucleus, SON)催产素神经元进行单突触接触,而SON催产素神经元又进一步投射到室旁核(Paraventricular Nucleus, PVN)催产素神经元;并且ipRGCs介导的光感知能够激活SON和PVN中的催产素神经元,从而刺激催产素的释放并促进大脑多个区域的突触发生。


适宜的光刺激可促进新生期大脑发育


最后作者研究了发育早期光感知对对成年后高级认知功能的影响程度,在奖励/惩罚相关的声音辨别任务中,作者观察到两月龄的Opn4-/-小鼠表现出学习速度缓慢的缺陷,这种缺陷可以通过在出生后(P0)在ipRGCs中重新表达Melanopsin或从出生开始激活SON中的催产素能神经元而得到拯救。


适宜的光刺激可促进新生期大脑发育


总的来说,该研究揭示了ipRGCs的早期光感知能过通过ipRGCs- SON –PVN环路激活下丘脑的催产素神经元,从而促进皮质突触发生。此外,作者还证明了ipRGCs的早期光感知对成年后的学习能力至关重要。这些结果强调了早期的光感知对后期学习能力发展的重要性,同时也给我们一个警示:新生婴儿的成长需要适宜的光环境,这对于婴儿大脑的发育乃至今后的学习能力至关重要。


研究方法亮点


这项工作在探索光感知促进脑发育的神经机制方面取得突破性进展。研究用到了电生理记录、脑立体定位注射、质谱检测、化学遗传学、行为学评估以及免疫组化等实验技术。瑞沃德深耕生命科学研究领域20年,一直致力于为客户提供可信赖的解决方案和服务。在该研究中,作者用到了瑞沃德公司生产的脑立体定位注射系统,为实验的顺利开展提供了支持。此外,瑞沃德还可提供该研究所涉及的电生理记录、化学遗传学、行为学评估以及免疫组化的完整解决方案。截至目前,瑞沃德产品及服务覆盖海内外100多个国家和地区,客户涵盖全球700+医院,1000+科研院所,6000+高等院校,已助力全球科研人员发表SCI文章14500+,获得行业广泛认可。


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