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2023年6月2日，《Nature Communications》期刊在線發(fā)表題為《下丘腦食欲素能系統(tǒng)參與調節(jié)發(fā)育期突觸發(fā)生的晝夜節(jié)律性》的研究論文，該工作由中國科學院腦科學與智能技術卓越創(chuàng)新中心（神經(jīng)科學研究所）、神經(jīng)科學國家重點實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，運用在體雙光子長時程成像，發(fā)現(xiàn)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(guī)律提供了重要實驗依據(jù)。?
晝夜節(jié)律是生物體的一種計時現(xiàn)象，通常受到外界環(huán)境因素的影響，如光照和溫度，并以24小時為周期進行振蕩。在生理條件下，生物鐘協(xié)調著神經(jīng)、內分泌、心血管、免疫、代謝以及很多其他生物系統(tǒng)的功能。但是，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，人們對于生物鐘是否以及如何調節(jié)生物體早期發(fā)育過程的認識極其匱乏。?
為了回答這一問題，研究人員選用了斑馬魚幼魚的視網(wǎng)膜-視頂蓋突觸來研究神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育中的關鍵環(huán)節(jié)?- “突觸發(fā)生（synaptogenesis）”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，其視網(wǎng)膜-視頂蓋系統(tǒng)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，對發(fā)育的動態(tài)過程進行細致觀察。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模型（杜旭飛等，Sci Rep 2018），在本研究中則是利用該模型來探究突觸發(fā)生是否具有晝夜節(jié)律性。?
首先，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(jīng)過四天的訓練或牽引（entrainment）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(xiàn)突觸數(shù)量的增長速率存在白天快、夜晚慢的晝夜振蕩。這一振蕩現(xiàn)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(jīng)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（clocka-/-）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。進一步地，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(xiàn)這一節(jié)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，研究人員發(fā)現(xiàn)突觸生長速率的節(jié)律性在下丘腦食欲素能（hypocretin/orexin）神經(jīng)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(xiàn)象。最后，研究人員通過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(jié)律性，發(fā)現(xiàn)可以造成視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)神經(jīng)元軸突分枝變大、復雜度降低，突觸數(shù)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；同時通過檢測突觸后視頂蓋神經(jīng)元的感受野，發(fā)現(xiàn)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(xiàn)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)育過程也具有調節(jié)作用，擴展了生物鐘的功能譜；另一方面，揭示了神經(jīng)系統(tǒng)環(huán)路發(fā)育過程中的一種新的調節(jié)機制。工作中發(fā)現(xiàn)的參與睡眠-覺醒調節(jié)的下丘腦食欲素能神經(jīng)元作為生物鐘的下游參與調節(jié)此節(jié)律現(xiàn)象，為研究生物鐘與睡眠-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。?
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院腦科學與智能技術卓越創(chuàng)新中心嚴軍研究組和蘇州大學王晗研究組的大力幫助。該工作得到科技部、中國科學院的資助。?
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