EVIDENT助力中國科大揭示光感知促進腦發育神經機制

中國科學技術大學 生命科學與醫學部

嬰幼兒后天的大腦發育需要豐富的感覺刺激（包括視覺、聽覺，觸覺等）。視覺（光）作為人類最重要的感知能力，在發育早期促進了多個大腦皮層的協同發育。然而，在發育早期視覺（光）是如何被感知、通過何種神經環路和分子機制促進了大腦發育、以及對嬰幼兒成年后的認知學習能力的影響尚不明確。

近日中國科學技術大學生命科學與醫學部薛天教授、鮑進研究員團隊利用小鼠為實驗模型，揭示了ipRGCs的光感受促進哺乳動物幼年大腦發育的神經機制及對成年后學習能力從促進作用。相關研究成果以“Melanopsin retinal ganglion cells mediate light-promoted brain development”為題發表在國際著名期刊《CELL》上。

突觸生成（synaptogenesis）是哺乳動物出生后大腦發育的重要特征之一，其最顯著的指標是神經元的自發微小興奮性突觸后電流（mEPSC）的頻率。研究人員利用基于Olympus顯微鏡（BX51WI）的離體腦片單細胞膜片鉗記錄系統，發現缺失ipRGCs感光能力的新生鼠在出生后早期，其多個感覺皮層及海馬的椎體神經元mEPSC頻率顯著性降低；而出生后如果立即完全避光暗飼養，野生型新生鼠也出現同樣的mEPSC頻率降低的現象。

同時，通過突觸形態觀察分析，研究人員發現缺失ipRGCs感光能力的新生鼠多個感覺皮層及海馬的椎體神經元樹突棘數量顯著減少。這些結果暗示ipRGCs的光感受在出生后早期可能介導了光促進大腦突觸發生的現象。出生后在ipRGCs快速表達其感光蛋白melanopsin，可以顯著提高ipRGCs感光能力缺失的新生鼠皮層和海馬的突觸生成，證明在發育早期，ipRGCs是介導小鼠早期光感受促進腦高級認知區域突觸發生的充分且必要的條件（圖1）。

圖1：發育早期ipRGCs介導的光感知通過激活視上核(SON)和室旁核(PVN)的催產素神經元，促進不同大腦高級認知區域（大腦皮層、海馬等）神經元突觸的協同發育。

發育早期ipRGCs光感受對大腦突觸生成的促進作用，能顯著提升小鼠成年后的學習能力。研究人員通過訓練小鼠學習不同頻率的聲音刺激與獎勵/懲罰的相關性，證明幼年期ipRGCs光感受的缺失，會導致小鼠成年后的學習速度顯著下降（圖2），而這種成年后學習能力的缺陷可以被出生后早期人為激活ipRGCs或視上核的催產素神經元所挽救。

圖2：發育早期ipRGCs介導的光感知提高成年后小鼠的學習能力。

（示意圖由中國科學技術大學人文與社會科學學院劉慧老師完善）

本研究中椎體神經元的mEPSC的所有數據采集，均來自基于Olympus顯微鏡（BX51WI）搭建的膜片鉗記錄系統（圖3）。

圖3：基于Olympus顯微鏡（BX51WI）搭建的膜片鉗記錄系統

對于在電生理實驗中的應用，Olympus BX51WI擁有一系列優點。

中國科學技術大學生命科學與醫學部博士生胡佳希、博士生史逸銘和鮑進特任研究員（現為中國科學院深圳先進技術研究院研究員）為本文的共同第一作者，中國科學技術大學生命科學與醫學部教授薛天和中國科學技術大學生命科學與醫學部特任研究員鮑進為本文的共同通訊作者。該成果得到了科技部、國家基金委、峰基金、安徽省、中科院以及中國科學技術大學的資助。

// 通訊作者

 

薛天：

中國科學技術大學生命科學與醫學部教授

中國生理學會常務理事

 

 

 

 

 

 

鮑進：

中國科學技術大學生命科學與醫學部特任研究員（現為中國科學院深圳先進技術研究院研究員）

論文鏈接：https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(22)00912-6