發(fā)布時(shí)間：2023-06-07
2023年6月2日，《Nature Communications》期刊在線(xiàn)發(fā)表題為《下丘腦食欲素能系統參與調節發(fā)育期突觸發(fā)生的晝夜節律性》的研究論文，該工作由中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng )新中心（神經(jīng)科學(xué)研究所）、神經(jīng)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室杜久林研究組完成。該研究以經(jīng)典的視網(wǎng)膜-視頂蓋突觸為模型，運用在體雙光子長(cháng)時(shí)程成像，發(fā)現了發(fā)育早期突觸形成速率存在晝夜節律性，為生物鐘參與調節動(dòng)物發(fā)育過(guò)程提供了重要理論基礎，為認識神經(jīng)環(huán)路聯(lián)接建立的發(fā)育規律提供了重要實(shí)驗依據。
晝夜節律是生物體的一種計時(shí)現象，通常受到外界環(huán)境因素的影響，如光照和溫度，并以24小時(shí)為周期進(jìn)行振蕩。在生理條件下，生物鐘協(xié)調著(zhù)神經(jīng)、內分泌、心血管、免疫、代謝以及很多其他生物系統的功能。但是，除了在諸如斑馬魚(yú)幼魚(yú)的細胞周期、果蠅的羽化，以及哺乳動(dòng)物腎臟器官形成中有少量報道外，人們對于生物鐘是否以及如何調節生物體早期發(fā)育過(guò)程的認識極其匱乏。
為了回答這一問(wèn)題，研究人員選用了斑馬魚(yú)幼魚(yú)的視網(wǎng)膜-視頂蓋突觸來(lái)研究神經(jīng)系統發(fā)育中的關(guān)鍵環(huán)節 - “突觸發(fā)生（synaptogenesis）”過(guò)程是否受到生物鐘的調節。斑馬魚(yú)是在體研究早期發(fā)育過(guò)程的理想模式脊椎動(dòng)物，其視網(wǎng)膜-視頂蓋系統是在體研究神經(jīng)纖維和突觸發(fā)育的經(jīng)典模型。研究人員應用在體光學(xué)成像技術(shù)，對同一個(gè)活體樣本中的同一個(gè)對象進(jìn)行長(cháng)時(shí)程觀(guān)測，對發(fā)育的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行細致觀(guān)察。研究人員在前期的工作中建立了特異標記視網(wǎng)膜-視頂蓋突觸的轉基因斑馬魚(yú)模型（杜旭飛等，Sci Rep 2018），在本研究中則是利用該模型來(lái)探究突觸發(fā)生是否具有晝夜節律性。
首先，研究人員將出生后的斑馬魚(yú)幼魚(yú)放在正常亮暗光照條件下，經(jīng)過(guò)四天的訓練或牽引（entrainment）后，開(kāi)展以6小時(shí)為時(shí)間間隔、持續兩天的長(cháng)時(shí)程成像。分析發(fā)現突觸數量的增長(cháng)速率存在白天快、夜晚慢的晝夜振蕩。這一振蕩現象在亮暗光照牽引后轉入持續亮或持續暗的光照條件，或者經(jīng)過(guò)反向的暗亮光照條件牽引后都能保持，而在生物鐘基因突變體（clocka-/-）中消失，提示這一振蕩受到內源生物鐘系統調節，具有晝夜節律性。進(jìn)一步地，研究人員通過(guò)高時(shí)間分辨率成像分析突觸發(fā)育的動(dòng)態(tài)過(guò)程，發(fā)現這一節律是由突觸形成（synapse formation）而非突觸消除（synapse elimination）速率的晝夜差異造成的。
接著(zhù)，研究人員發(fā)現突觸生長(cháng)速率的節律性在下丘腦食欲素能（hypocretin/orexin）神經(jīng)系統功能阻斷后消失，提示該系統參與調節突觸發(fā)育節律現象。最后，研究人員通過(guò)生物鐘基因突變或食欲素能神經(jīng)元受體突變破壞突觸發(fā)生的節律性，發(fā)現可以造成視網(wǎng)膜神經(jīng)節神經(jīng)元軸突分枝變大、復雜度降低，突觸數量減少、在軸突分枝區域中的密度降低和排布不均衡的結構變化；同時(shí)通過(guò)檢測突觸后視頂蓋神經(jīng)元的感受野，發(fā)現其感受野發(fā)生了與突觸前神經(jīng)元軸突分枝變大相呼應的增大現象，即其視銳度功能發(fā)育受到影響。
此研究工作一方面揭示了生物鐘對生物體早期發(fā)育過(guò)程也具有調節作用，擴展了生物鐘的功能譜；另一方面，揭示了神經(jīng)系統環(huán)路發(fā)育過(guò)程中的一種新的調節機制。工作中發(fā)現的參與睡眠-覺(jué)醒調節的下丘腦食欲素能神經(jīng)元作為生物鐘的下游參與調節此節律現象，為研究生物鐘與睡眠-覺(jué)醒的相互作用以及生物鐘的輸出路徑提供了新的研究思路。
該研究工作在杜久林研究員的指導下，主要由杜旭飛博士和李福寧博士共同完成；杜旭飛博士是該工作的共同通訊作者；彭小蘭博士對該課題也做出了重要貢獻。該研究工作得到了中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng )新中心嚴軍研究組和蘇州大學(xué)王晗研究組的大力幫助。該工作得到科技部、中科院的資助。
a 實(shí)驗設計和單個(gè)視網(wǎng)膜神經(jīng)節神經(jīng)元的突觸前長(cháng)時(shí)程成像。b-d 在正常亮暗（b）、持續暗或持續亮（c），以及反向的暗亮（d）光照條件下突觸數量增長(cháng)速率的周期振蕩。e 晝夜振蕩在clocka基因突變體中消失。f 突觸形成和突觸消除速率的晝夜差異。g 斑馬魚(yú)食欲素能神經(jīng)元的表達（綠）。h 在食欲素系統功能缺失條件下，突觸生長(cháng)速率的節律性消失。i,j 突觸前視網(wǎng)膜神經(jīng)節神經(jīng)元軸突和突觸分布結構（i）以及突觸后視頂蓋神經(jīng)元感受野（j）在clocka基因突變或食欲素能受體突變體中的變化。k 工作模型。
來(lái)源：杜久林研究組
文字：杜旭飛
圖片：杜旭飛
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