【新發現】
作者：杜旭飛（中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心副研究員）
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，發現了發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物發育過程奠定了重要理論基礎，為認識神經環路連接建立的發育規律提供了重要實驗依據。
【資料圖】
該研究由中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心、神經科學國家重點實驗室杜久林研究組完成，論文6月2日在線發表于國際學術期刊《自然-通訊》上。
晝夜節律是生物體的一種計時現象，通常受到外界環境因素（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，生物鐘協調著神經、內分泌、心血管、免疫、代謝以及較多其他生物系統的功能。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生物體早期發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發育中的關鍵環節即“突觸發生”過程是否受到生物鐘的調節。斑馬魚是在體研究早期發育過程的理想模式脊椎動物——它的視網膜-視頂蓋系統是在體研究神經纖維和突觸發育的經典模型。
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，并對發育的動態過程進行細致觀察?？蒲腥藛T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，來探究突觸發生是否具有晝夜節律性。
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、持續兩天的長時程成像。分析發現，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亮或持續暗的光照條件，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調節，具有晝夜節律性。之后，研究人員通過高時間分辨率成像分析突觸發育的動態過程，發現這一節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，科研人員發現突觸生長速率的節律性在下丘腦食欲素能神經系統功能阻斷后消失，提示該系統參與調節突觸發育節律現象。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生的節律性，發現可以造成視網膜神經節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，發現其感受野發生了與突觸前神經元軸突分枝變大相呼應的增大現象，即其視銳度功能發育受到影響。
該研究揭示了生物鐘對生物體早期發育過程具有調節作用，擴展了生物鐘的功能譜；闡釋了神經系統環路發育過程中的新的調節機制。有評論認為，這項工作發現的參與睡眠-覺醒調節的下丘腦食欲素能神經元作為生物鐘的下游參與調節此節律現象，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）
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