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降臨世間后，嬰兒不僅通過父母學(xué)習(xí)新技能，他們還時刻從環(huán)境中學(xué)習(xí)、促進(jìn)自身的發(fā)育。已經(jīng)有研究告訴我們，嬰幼兒在成長發(fā)育早期接受的視覺、聽覺、觸覺等刺激，對于促進(jìn)大腦高級認(rèn)知功能的發(fā)育至關(guān)重要。其中，視覺感知可以促進(jìn)多腦區(qū)的協(xié)同發(fā)育和高級腦功能的形成。之前的小鼠實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在缺乏光照的黑暗環(huán)境中，由于神經(jīng)肽催產(chǎn)素的缺失，幼鼠多個感知覺皮層突觸的形成受阻。但在這個過程中，仍然存在一系列有待解決的問題。發(fā)育早期的視覺是如何被感知的？視覺感知促進(jìn)大腦發(fā)育的神經(jīng)機(jī)制是怎樣的，缺乏光照又會對大腦發(fā)育造成哪些不利影響？ 本周，在一項(xiàng)發(fā)表于《細(xì)胞》雜志的最新研究中，由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)薛天教授和鮑進(jìn)特任研究員領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊揭開了視覺感知促進(jìn)大腦發(fā)育的神經(jīng)機(jī)制。令人意外的是，出生伊始的視覺感知甚至能對認(rèn)知能力造成終生影響。 
在哺乳動物的視網(wǎng)膜中，存在3種可以感知光線的細(xì)胞：視桿細(xì)胞、視錐細(xì)胞和視網(wǎng)膜自感光神經(jīng)節(jié)細(xì)胞（ipRGCs）。我們更熟悉的是前兩者：視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞分別主要感知弱光、無色調(diào)的視覺與強(qiáng)光、有顏色的視覺，這兩種感光細(xì)胞協(xié)作，共同構(gòu)建了我們的成像視覺功能。而我們較為陌生的ipRGCs介導(dǎo)的則是非成像視覺功能。其中，ipRGCs細(xì)胞膜上的感光蛋白視黑素起到了關(guān)鍵作用：它們可以特異性感知藍(lán)光波段的光，并且直接投射到影響晝夜節(jié)律調(diào)節(jié)、情緒調(diào)控等功能的皮質(zhì)下區(qū)域，對這些功能產(chǎn)生影響。值得注意的是，在早期發(fā)育過程中，ipRGCs能感知光線的時間點(diǎn)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于光桿細(xì)胞和光錐細(xì)胞——出生后的前10天，它們是唯一一種感光細(xì)胞。這也令研究人員懷疑，ipRGCs或許就是導(dǎo)致光線促進(jìn)幼年大腦發(fā)育的關(guān)鍵所在。為了驗(yàn)證這個猜想，研究團(tuán)隊利用小鼠模型開展了一系列研究。他們首先敲除了小鼠編碼視黑素的Opn4基因。這時，失去ipRGCs感光能力的新生小鼠在早期發(fā)育階段，視覺、體感、聽覺等多個感覺皮層和海馬椎體神經(jīng)元的微小興奮性突觸后電流（mEPSC）頻率顯著降低，椎體神經(jīng)元的樹突棘數(shù)量也顯著減少，這些結(jié)果反映出這些皮層與海馬的突觸發(fā)生受到了抑制。而對于出生后在完全黑暗的環(huán)境中成長的小鼠來說，無論是否敲除Opn4基因，其皮層和海馬的突觸功能與數(shù)量沒有顯著差異。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，ipRGCs在出生后可能介導(dǎo)了光線對于大腦突觸發(fā)生的促進(jìn)作用。而在令基因敲除小鼠重新表達(dá)視黑素之后，它們皮層和海馬的突觸發(fā)生顯著提高。
▲發(fā)育早期ipRGCs介導(dǎo)的視覺感知能促進(jìn)不同大腦高級認(rèn)知區(qū)域神經(jīng)元突觸的協(xié)同發(fā)育。（圖片來源：研究團(tuán)隊；由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)人文與社會科學(xué)學(xué)院劉慧老師完善）在證實(shí)了ipRGCs的光感知促進(jìn)大腦早期突觸發(fā)生之后，研究團(tuán)隊的下一個目標(biāo)便是破解這個過程的神經(jīng)環(huán)路。他們發(fā)現(xiàn)，ipRGCs被光激活后，會通過視網(wǎng)膜至下丘腦的ipRGCs-視上核(SON)-室旁核(PVN)神經(jīng)環(huán)路，激活視上核和室旁核的催產(chǎn)素神經(jīng)元，進(jìn)而提升腦脊液中的催產(chǎn)素濃度；而催產(chǎn)素作為神經(jīng)元突觸建立的關(guān)鍵調(diào)控分子之一，直接促進(jìn)了多個大腦皮層和海馬的突觸形成。在隨后的行為學(xué)研究中，作者發(fā)現(xiàn)幼年期ipRGCs光感受的缺失，會導(dǎo)致小鼠成年后的學(xué)習(xí)速度顯著下降。不過，如果能在幼年期人為激活ipRGCs或視上核的催產(chǎn)素神經(jīng)元，則能避免學(xué)習(xí)能力的下降。
▲發(fā)育早期ipRGCs介導(dǎo)的視覺感知提高成年后小鼠的學(xué)習(xí)能力。（圖片來源：研究團(tuán)隊；由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)人文與社會科學(xué)學(xué)院劉慧老師完善）綜上，這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)了在發(fā)育早期，視覺感知是如何促進(jìn)大腦高級認(rèn)知區(qū)域神經(jīng)元突觸協(xié)同發(fā)育的，并且揭示了發(fā)育早期視覺感知對成年后認(rèn)知能力的影響。這項(xiàng)研究提示公共衛(wèi)生研究應(yīng)關(guān)注新生兒日常的光環(huán)境，并且提出了兩項(xiàng)干預(yù)手段：確保足夠的光照以支持大腦發(fā)育與認(rèn)知功能；此外，使用靶向ipRGCs的光療手段，或?qū)⒂兄趶浹a(bǔ)突觸發(fā)生過程中與學(xué)習(xí)能力相關(guān)的基因缺陷。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部博士生胡佳希、博士生史逸銘和鮑進(jìn)特任研究員（現(xiàn)為中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院研究員）為本文的共同第一作者，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部薛天教授和鮑進(jìn)特任研究員為本文的共同通訊作者。 [1] J.X. Hu, Y.M. Shi et al., Melanopsin retinal ganglion cells mediate light-promoted brain development. Cell (2022) DOI: https:///10.1016/j.cell.2022.07.009[2] 中國科大揭示光感知促進(jìn)腦發(fā)育的神經(jīng)機(jī)制. Retrieved Aug. 9th, 2022 from http://news.ustc.edu.cn/info/1055/80032.htm
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