【新發(fā)現】

　　作者：杜旭飛（中國科學院腦科學與智能技術卓越創(chuàng)新中心副研究員）

　　日出而作，日落而息。在人類行為的背后，是生物鐘的調控。發(fā)育或許也是如此。日前，我國科學家以經典的視網膜-視頂蓋突觸為模型，運用在體雙光子長時程成像，發(fā)現了發(fā)育早期突觸形成速率存在晝夜節(jié)律性，為生物鐘參與調節(jié)動物發(fā)育過程奠定了重要理論基礎，為認識神經環(huán)路連接建立的發(fā)育規(guī)律提供了重要實驗依據。

　　該研究由中國科學院腦科學與智能技術卓越創(chuàng)新中心、神經科學國家重點實驗室杜久林研究組完成，論文6月2日在線發(fā)表于國際學術期刊《自然-通訊》上。

　　晝夜節(jié)律是生物體的一種計時現象，通常受到外界環(huán)境因素（如光照和溫度）的影響，并以24小時為周期進行振蕩。在生理條件下，生物鐘協(xié)調著神經、內分泌、心血管、免疫、代謝以及較多其他生物系統(tǒng)的功能。然而，除了在諸如斑馬魚幼魚的細胞周期、果蠅的羽化以及哺乳動物腎臟器官形成中有少量報道外，關于生物鐘是否以及如何調節(jié)生物體早期發(fā)育過程的認識相對匱乏。

　　為了回答這一問題，研究人員選用斑馬魚幼魚的視網膜-視頂蓋突觸來探究神經系統(tǒng)發(fā)育中的關鍵環(huán)節(jié)即“突觸發(fā)生”過程是否受到生物鐘的調節(jié)。斑馬魚是在體研究早期發(fā)育過程的理想模式脊椎動物——它的視網膜-視頂蓋系統(tǒng)是在體研究神經纖維和突觸發(fā)育的經典模型。

　　科研人員應用在體光學成像技術，對同一個活體樣本中的同一個對象進行長時程觀測，并對發(fā)育的動態(tài)過程進行細致觀察。科研人員前期工作建立了特異標記視網膜-視頂蓋突觸的轉基因斑馬魚模型，這項研究正是利用該模型，來探究突觸發(fā)生是否具有晝夜節(jié)律性。

　　研究人員將出生后的斑馬魚幼魚放在正常亮暗光照條件下，經過4天的訓練或牽引后，開展以6小時為時間間隔、持續(xù)兩天的長時程成像。分析發(fā)現，突觸數量的增長速率存在白天快、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(xù)亮或持續(xù)暗的光照條件，或者經過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中消失，提示這一振蕩受到內源生物鐘系統(tǒng)調節(jié)，具有晝夜節(jié)律性。之后，研究人員通過高時間分辨率成像分析突觸發(fā)育的動態(tài)過程，發(fā)現這一節(jié)律是由突觸形成而非突觸消除速率的晝夜差異所致。

　　進一步，科研人員發(fā)現突觸生長速率的節(jié)律性在下丘腦食欲素能神經系統(tǒng)功能阻斷后消失，提示該系統(tǒng)參與調節(jié)突觸發(fā)育節(jié)律現象。該研究通過生物鐘基因突變或食欲素能神經元受體突變破壞突觸發(fā)生的節(jié)律性，發(fā)現可以造成視網膜神經節(jié)神經元軸突分枝變大、復雜度降低，突觸數量減少、在軸突分枝區(qū)域中的密度降低和排布不均衡的結構變化；通過檢測突觸后視頂蓋神經元的感受野，發(fā)現其感受野發(fā)生了與突觸前神經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。

　　該研究揭示了生物鐘對生物體早期發(fā)育過程具有調節(jié)作用，擴展了生物鐘的功能譜；闡釋了神經系統(tǒng)環(huán)路發(fā)育過程中的新的調節(jié)機制。有評論認為，這項工作發(fā)現的參與睡眠-覺醒調節(jié)的下丘腦食欲素能神經元作為生物鐘的下游參與調節(jié)此節(jié)律現象，為探索生物鐘與睡眠-覺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。

　　《光明日報》（ 2023年06月15日 16版）