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神经示踪逆向跨单突触病毒RV-EnVA-△G-dsRed
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IF=66.85【客户文章】Cell｜中科大薛天、鲍进团队揭示光感知促进脑发育的神经机制
818 人阅读发布时间：2023-06-13 14:31
哺乳动物出生后大脑高级认知功能的形成需要丰富的感觉刺激（包括视觉、听觉，触觉等）。光感知作为我们感受外界环境最重要的能力已被证明显著促进了小鼠出生后早期多个大脑感觉皮层的协同发育，然而在出生后脑发育早期光是如何被感知、通过何种神经环路和分子机制促进了大脑发育、以及对婴幼儿成年后的认知学习能力的影响尚不明确。近日中国科学技术大学生命科学与医学部薛天教授、鲍进研究员团队利用小鼠为实验模型，揭示了ipRGCs的光感受促进哺乳动物幼年大脑发育的神经机制及对成年后学习能力的促进作用。相关研究成果以“Melanopsin retinal ganglion cells mediate light-promoted brain development”为题发表在国际著名期刊《CELL》上。
在出生后早期，哺乳动物对光的感知同样起始于视网膜。哺乳动物视网膜中主要存在三类感光细胞：编码图像、运动等成像视觉信息的经典感光细胞：视杆细胞（rods）和视锥细胞（cones），以及介导非成像视觉功能（如昼夜节律光调节、瞳孔光反射和光调控情绪等）的视网膜自感光神经节细胞（intrinsically photosensitive retinal ganglion cells, ipRGCs）。在发育过程中，ipRGCs是最早具有感光功能的视网膜感光细胞，这暗示ipRGCs可能是介导光促进幼年大脑发育最关键的感光细胞。
研究人员首先利用基因敲除小鼠模型（Opn4-/-）敲除ipRGCs的感光能力，发现Opn4-/-的幼鼠在出生后早期，其多个感觉皮层及海马的椎体神经元突触生成显著性减缓；而出生后如果立即完全避光暗饲养，野生型幼鼠（Opn4+/+）也出现同样的突触生成减缓的现象。这些结果暗示ipRGCs的光感受在出生后早期介导了光促进大脑突触发生的现象。在另一组ipRGCs感光能力挽救实验中，出生后在ipRGCs快速表达其感光蛋白melanopsin（黑视蛋白），可以显著提高Opn4-/-新生鼠皮层和海马的突触生成，证明在发育早期，ipRGCs是介导小鼠早期光感受促进脑高级认知区域突触发生的充分且必要的条件（图1）。
为了探究ipRGCs的光感受促进大脑突触生成的环路机制，研究人员首先使用了改造后的狂犬病毒及辅助的AAV腺相关病毒（BrainTVA，图3b）进行环路示踪。质谱的结果显示ipRGCs的光感知提升了脑脊液中的催产素浓度；而催产素作为神经元突触建立的关键调控分子之一，其浓度的提升促进了多个大脑皮层和海马的突触生成，为此研究人员在表达催产素的大脑核团视上核(SON)和室旁核(PVN)注射改造后的狂犬病毒系统（图3a）。实验结果显示，ipRGCs通过视网膜至下丘脑的ipRGCs-视上核(SON)-室旁核(PVN)神经环路（图3a），激活视上核和室旁核的催产素神经元，进而促进了催产素的分泌（图1）。通过离体脑片孵育催产素或出生后持续激活SON的催产素神经元，能促进ipRGCs感光能力缺失的新生鼠多个感觉皮层及海马的椎体神经元的突触生成，进一步证明了发育早期ipRGCs的感光通过增加催产素的分泌而促进大脑发育。
发育早期ipRGCs光感受对大脑突触生成的促进作用，能显著提升小鼠成年后的学习能力。研究人员通过训练小鼠学习不同频率的声音刺激与奖励/惩罚的相关性，证明幼年期ipRGCs光感受的缺失，会导致小鼠成年后的学习速度显著下降（图2），而这种成年后学习能力的缺陷可以被出生后早期人为激活ipRGCs或视上核的催产素神经元所挽救。
这项研究揭示了发育早期视觉（光）感知促进小鼠大脑高级认知区域神经元突触协同发育的感光、神经环路和分子机制，并揭示了发育早期光感知对成年脑高级认知能力的影响。该研究成果提示公共卫生研究应关注新生儿日常的光环境，同时也为开发有利于新生儿大脑认知发育的环境光照明设备提供一定的科学指导基础。
本研究中关键的神经环路连接：视网膜至下丘脑的ipRGCs-视上核(SON)催产素神经元-室旁核(PVN)催产素神经元的验证实验，使用了BrainTVA包被的改造后的狂犬病毒及辅助的AAV腺相关病毒。
中国科学技术大学生命科学与医学部博士生胡佳希、博士生史逸铭和鲍进特任研究员（现为中国科学院深圳先进技术研究院研究员）为本文的共同第一作者，中国科学技术大学生命科学与医学部教授薛天和中国科学技术大学生命科学与医学部特任研究员鲍进为本文的共同通讯作者。该成果得到了科技部、国家基金委、峰基金、安徽省、中科院以及中国科学技术大学的资助。
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研究人员首先利用基因敲除小鼠模型（Opn4-/-）敲除ipRGCs的感光能力，发现Opn4-/-的幼鼠在出生后早期，其多个感觉皮层及海马的椎体神经元突触生成显著性减缓；而出生后如果立即完全避光暗饲养，野生型幼鼠（Opn4+/+）也出现同样的突触生成减缓的现象。这些结果暗示ipRGCs的光感受在出生后早期介导了光促进大脑突触发生的现象。在另一组ipRGCs感光能力挽救实验中，出生后在ipRGCs快速表达其感光蛋白melanopsin（黑视蛋白），可以显著提高Opn4-/-新生鼠皮层和海马的突触生成，证明在发育早期，ipRGCs是介导小鼠早期光感受促进脑高级认知区域突触发生的充分且必要的条件（图1）。
为了探究ipRGCs的光感受促进大脑突触生成的环路机制，研究人员首先使用了改造后的狂犬病毒及辅助的AAV腺相关病毒（BrainTVA，图3b）进行环路示踪。质谱的结果显示ipRGCs的光感知提升了脑脊液中的催产素浓度；而催产素作为神经元突触建立的关键调控分子之一，其浓度的提升促进了多个大脑皮层和海马的突触生成，为此研究人员在表达催产素的大脑核团视上核(SON)和室旁核(PVN)注射改造后的狂犬病毒系统（图3a）。实验结果显示，ipRGCs通过视网膜至下丘脑的ipRGCs-视上核(SON)-室旁核(PVN)神经环路（图3a），激活视上核和室旁核的催产素神经元，进而促进了催产素的分泌（图1）。通过离体脑片孵育催产素或出生后持续激活SON的催产素神经元，能促进ipRGCs感光能力缺失的新生鼠多个感觉皮层及海马的椎体神经元的突触生成，进一步证明了发育早期ipRGCs的感光通过增加催产素的分泌而促进大脑发育。
图1：发育早期ipRGCs介导的光感知通过激活视上核(SON)和室旁核(PVN)的催产素神经元，促进不同大脑高级认知区域（大脑皮层、海马等）神经元突触的协同发育（示意图由中国科学技术大学人文与社会科学学院刘慧老师完善）。
发育早期ipRGCs光感受对大脑突触生成的促进作用，能显著提升小鼠成年后的学习能力。研究人员通过训练小鼠学习不同频率的声音刺激与奖励/惩罚的相关性，证明幼年期ipRGCs光感受的缺失，会导致小鼠成年后的学习速度显著下降（图2），而这种成年后学习能力的缺陷可以被出生后早期人为激活ipRGCs或视上核的催产素神经元所挽救。
图2：发育早期ipRGCs介导的光感知提高成年后小鼠的学习能力（示意图由中国科学技术大学人文与社会科学学院刘慧老师完善）。
这项研究揭示了发育早期视觉（光）感知促进小鼠大脑高级认知区域神经元突触协同发育的感光、神经环路和分子机制，并揭示了发育早期光感知对成年脑高级认知能力的影响。该研究成果提示公共卫生研究应关注新生儿日常的光环境，同时也为开发有利于新生儿大脑认知发育的环境光照明设备提供一定的科学指导基础。
本研究中关键的神经环路连接：视网膜至下丘脑的ipRGCs-视上核(SON)催产素神经元-室旁核(PVN)催产素神经元的验证实验，使用了BrainTVA包被的改造后的狂犬病毒及辅助的AAV腺相关病毒。
图3：BrainTVA助力中国科大揭示光感知促进哺乳动物幼年大脑发育的神经机制解析。
a，利用改造后的狂犬病毒及辅助的AAV腺相关病毒系统验证视网膜至下丘脑的ipRGCs-视上核(SON)催产素神经元-室旁核(PVN)催产素神经元神经环路。b，文章中使用的BrainTVA包被的改造后的狂犬病毒及辅助的AAV腺相关病毒。中国科学技术大学生命科学与医学部博士生胡佳希、博士生史逸铭和鲍进特任研究员（现为中国科学院深圳先进技术研究院研究员）为本文的共同第一作者，中国科学技术大学生命科学与医学部教授薛天和中国科学技术大学生命科学与医学部特任研究员鲍进为本文的共同通讯作者。该成果得到了科技部、国家基金委、峰基金、安徽省、中科院以及中国科学技术大学的资助。