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

　　 作為人類最重要的感知覺輸入，發(fā)育早期視覺（光）感知能促進多腦區(qū)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(yǎng)會導(dǎo)致幼鼠多個感知覺皮層突觸形成減緩，其中神經(jīng)肽催產(chǎn)素可能是介導(dǎo)該過程的關(guān)鍵分子。然而，在發(fā)育早期視覺（光）是如何被感知、通過何種神經(jīng)環(huán)路和分子機制促進多腦區(qū)協(xié)同發(fā)育，以及幼年的視覺（光）剝奪對成年高級腦功能的影響尚不清晰。

　　 哺乳動物的視覺感知起始于視網(wǎng)膜。哺乳動物視網(wǎng)膜中主要存在三類感光細胞：視桿細胞、視錐細胞和視網(wǎng)膜自感光神經(jīng)節(jié)細胞。不同于介導(dǎo)視覺圖像編碼的經(jīng)典成像視覺感光細胞——視桿細胞和視錐細胞，視網(wǎng)膜自感光神經(jīng)節(jié)細胞通過其基因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(dǎo)非成像視覺功能，如晝夜節(jié)律光調(diào)節(jié)、瞳孔光反射和光調(diào)控情緒等。在發(fā)育過程中，視網(wǎng)膜自感光神經(jīng)節(jié)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(dǎo)光促進幼年大腦發(fā)育最關(guān)鍵的感光細胞。

　　 研究人員首先通過敲除編碼視網(wǎng)膜自感光神經(jīng)節(jié)細胞感光蛋白的基因Opn4，發(fā)現(xiàn)缺失該細胞感光能力的新生鼠在出生后發(fā)育早期，其多個感覺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降低，且形態(tài)學(xué)顯示椎體神經(jīng)元的樹突棘數(shù)量也顯著減少，而在出生后即完全避光暗飼養(yǎng)的實驗中，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(shù)量沒有顯著差異。

　　 這一結(jié)果提示，視網(wǎng)膜自感光神經(jīng)節(jié)細胞在出生后可能介導(dǎo)了光促進大腦突觸發(fā)生的現(xiàn)象。進一步，通過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，可以促進其皮層和海馬的突觸發(fā)生顯著提高，證明在發(fā)育早期，該細胞是介導(dǎo)小鼠早期光感受促進腦高級認知區(qū)域突觸發(fā)生的充分且必要的條件。

　　 為了進一步探究該細胞的光感知促進皮層和海馬突觸發(fā)生的環(huán)路和分子機制，研究人員通過質(zhì)譜檢測、新生小鼠腦及視網(wǎng)膜神經(jīng)示蹤和調(diào)控，發(fā)現(xiàn)當該細胞被光激活后，會通過視網(wǎng)膜至下丘腦的視網(wǎng)膜自感光神經(jīng)節(jié)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(diào)控分子之一，直接促進了多個大腦皮層和海馬的突觸形成。

　　 為了探究發(fā)育早期光促進腦突觸發(fā)育對成年后高級腦認知能力的影響，研究人員通過訓(xùn)練小鼠學(xué)習(xí)不同頻率的聲音刺激與獎勵/懲罰的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)幼年期該細胞光感受的缺失，會導(dǎo)致小鼠成年后的學(xué)習(xí)速度顯著下降，而這種成年后學(xué)習(xí)能力的缺陷可以被幼年時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(xiàn)了發(fā)育早期視覺（光）感知促進大腦高級認知區(qū)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(wèi)生研究應(yīng)關(guān)注新生兒日常的光環(huán)境，進一步探索光環(huán)境對新生兒大腦發(fā)育的影響。