【原】Cell丨中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)薛天和鮑進(jìn)課題組揭示ipRGC通過感應(yīng)光促進(jìn)大腦發(fā)育的神經(jīng)機(jī)制

腦聲常談 2022-08-12 發(fā)布于上海

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在個(gè)體發(fā)育過程中，表達(dá)黑視素的內(nèi)在光敏性視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞（ipRGC）的光敏性比視桿和視錐細(xì)胞要早得多，且ipRGC投射到許多皮質(zhì)下區(qū)域，但這些投射的生理功能尚未完全闡明。

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在此背景下，2022年8月8日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)薛天和鮑進(jìn)課題組在Cell發(fā)表了題為Melanopsin retinal ganglion cells mediate light-promoted brain development的研究論文，揭示了ipRGC通過感應(yīng)光促進(jìn)大腦發(fā)育的神經(jīng)機(jī)制。

黑視蛋白是ipRGCs膜上的光敏蛋白，由Opn4基因編碼。為了探究ipRGCs的感覺輸入是否對(duì)皮質(zhì)突觸發(fā)生有影響，課題組對(duì)出生后9天（P9）的Opn4-/-鼠和WT鼠的椎體神經(jīng)元進(jìn)行電生理記錄和高爾基染色，結(jié)果顯示：Opn4-/-鼠mEPSCs頻率和樹突棘密度顯著下降。此外， Opn4+/+小鼠皮質(zhì)神經(jīng)元的mEPSC頻率從出生到P9在完全黑暗中飼養(yǎng)時(shí)也會(huì)降低，即mEPSC頻率的降低是由于光感而非基因型本身的差異造成的。而在Opn4-/-新生鼠視網(wǎng)膜ipRGCs中重新快速表達(dá)感光蛋白melanopsin，可以恢復(fù)其皮層和海馬的棘數(shù)量。這些結(jié)果表明：在早期發(fā)育過程中，ipRGC介導(dǎo)光感來調(diào)控皮質(zhì)突觸的發(fā)生。

圖1|電生理和染色結(jié)果及分析

隨后，課題組以質(zhì)譜檢測發(fā)現(xiàn)腦脊液中催產(chǎn)素水平顯著下降。而催產(chǎn)素神經(jīng)元主要定位于視上核 (SON) 和室旁核 (PVN)。因此，課題組在P0時(shí)將mtdT注射到Opn4-Cre小鼠的一只眼睛中，并在P9期發(fā)現(xiàn)其SON軸突末端有mtdT信號(hào)，且對(duì)側(cè)SON比同側(cè)SON更強(qiáng)，而PVN中未檢測到信號(hào)，暗示ipRGCs直接投射到SON。此外，逆行示蹤結(jié)果表明:ipRGCs與SON催產(chǎn)素神經(jīng)元進(jìn)行單突觸連接，而這些神經(jīng)元進(jìn)一步投射到PVN催產(chǎn)素神經(jīng)元。隨后，課題組發(fā)現(xiàn)，與暗處培養(yǎng)的小鼠相比，光照下小鼠cfos的催產(chǎn)素神經(jīng)元數(shù)量顯著增加，即ipRGCs介導(dǎo)的光感覺激活了P9期的催產(chǎn)素神經(jīng)元。為了確定催產(chǎn)素在神經(jīng)發(fā)育中的作用，課題組敲除了WT鼠中的催產(chǎn)素神經(jīng)元，并發(fā)現(xiàn)其椎體神經(jīng)元mEPSC頻率與Opn4-/-鼠差異被消除，而重新給予催產(chǎn)素則可以恢復(fù)其差異。這些結(jié)果暗示：早期發(fā)育過程中，ipRGCs-SON-PVN神經(jīng)環(huán)路通過調(diào)控催產(chǎn)素釋放來調(diào)控神經(jīng)發(fā)育。

圖2|暴露于明/暗條件下的小鼠免疫染色結(jié)果及分析

考慮到視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞與ipRGCs連接，ipRGCs也可能將視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞感知到的光信號(hào)傳遞給催產(chǎn)素神經(jīng)元并促進(jìn)突觸發(fā)生。課題組因此探索了二者的光感覺在皮質(zhì)突觸發(fā)生過程中的作用。電生理結(jié)果顯示：在P13-15時(shí)，Opn4-/-小鼠與Opn4+/+小鼠的mEPSC頻率沒有差異，即P9后被視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞感知的光可以明顯補(bǔ)償Opn4-/-小鼠的皮質(zhì)突觸發(fā)生缺陷。進(jìn)一步的免疫染色和電生理結(jié)果表明：除了感知光的能力外，ipRGCs還作為一種導(dǎo)管，將光信號(hào)從成熟的視錐和視桿細(xì)胞傳遞到催產(chǎn)素神經(jīng)元，并促進(jìn)皮層突觸發(fā)生。

此外，課題組通過基因敲除發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩組小鼠的視錐和視桿細(xì)胞都對(duì)光不敏感時(shí)，Opn4+/+小鼠依然比Opn4-/-小鼠具有更高的mEPSC頻率和更高的脊柱密度。這表明ipRGCs本身就足以驅(qū)動(dòng)皮質(zhì)突觸發(fā)生。

圖3|僅當(dāng)ipRGCs對(duì)光敏感時(shí)的電生理記錄

最后，課題組探究了發(fā)育早期光促進(jìn)腦突觸發(fā)育對(duì)成年后高級(jí)腦認(rèn)知能力的影響，通過訓(xùn)練小鼠學(xué)習(xí)不同頻率的聲音刺激與獎(jiǎng)勵(lì)/懲罰的相關(guān)性（Go/No-go），并統(tǒng)計(jì)其命中率和誤報(bào)率來計(jì)算其到達(dá)學(xué)習(xí)閾值所需要的試驗(yàn)次數(shù)，試驗(yàn)次數(shù)越少，證明其學(xué)習(xí)能力越強(qiáng)。結(jié)果顯示：Opn4-/-小鼠到達(dá)閾值的次數(shù)顯著增加，而眼內(nèi)注射mOPN4補(bǔ)救黑視蛋白則顯著減少其實(shí)驗(yàn)次數(shù)，即強(qiáng)化了其學(xué)習(xí)能力，且這種強(qiáng)化效果只能在發(fā)育早期產(chǎn)生作用。隨后，課題組發(fā)現(xiàn)早期發(fā)育過程中若將WT鼠一直暴露于黑暗中也將降低其學(xué)習(xí)能力，暗示光照對(duì)于小鼠學(xué)習(xí)能力同樣重要。此外，與SON催產(chǎn)素神經(jīng)元的激活挽救了Opn4-/-小鼠的突觸發(fā)生缺陷一致，SON催產(chǎn)素神經(jīng)元的激活同樣也能緩解Opn4-/-小鼠的學(xué)習(xí)缺陷，使其達(dá)到學(xué)習(xí)閾值的試驗(yàn)次數(shù)顯著減少。

圖4|小鼠行為學(xué)測試結(jié)果

總的來說，本文強(qiáng)調(diào)了ipRGCs的早期光感覺對(duì)皮層突觸發(fā)育的重要性，并發(fā)現(xiàn)了ipRGCs-SON-PVN神經(jīng)環(huán)路通過調(diào)控催產(chǎn)素釋放來調(diào)控神經(jīng)發(fā)育進(jìn)一步影響成年期的學(xué)習(xí)能力，且該環(huán)路還接受視錐和視桿細(xì)胞的信息輸入。因此，該研究擴(kuò)展了已知的影響非圖像視覺（NIV）功能的范圍和大腦區(qū)域，并證明了在早期大腦發(fā)育過程中光感覺的終身功能影響。

圖5|ipRGCs-SON-PVN神經(jīng)環(huán)路工作原理