中国科学技术大学 生命科学与医学部

婴幼儿后天的大脑发育需要丰富的感觉刺激（包括视觉、听觉，触觉等）。视觉（光）作为人类最重要的感知能力，在发育早期促进了多个大脑皮层的协同发育。然而，在发育早期视觉（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从促进作用。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。

突触生成（synaptogenesis）是哺乳动物出生后大脑发育的重要特征之一，其最显著的指标是神经元的自发微小兴奋性突触后电流（mEPSC）的频率。研究人员利用基于Olympus显微镜（BX51WI）的离体脑片单细胞膜片钳记录系统，发现缺失ipRGCs感光能力的新生鼠在出生后早期，其多个感觉皮层及海马的椎体神经元mEPSC频率显著性降低；而出生后如果立即完全避光暗饲养，野生型新生鼠也出现同样的mEPSC频率降低的现象。

同时，通过突触形态观察分析，研究人员发现缺失ipRGCs感光能力的新生鼠多个感觉皮层及海马的椎体神经元树突棘数量显著减少。这些结果暗示ipRGCs的光感受在出生后早期可能介导了光促进大脑突触发生的现象。出生后在ipRGCs快速表达其感光蛋白melanopsin，可以显著提高ipRGCs感光能力缺失的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）。

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。

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）

本研究中椎体神经元的mEPSC的所有数据采集，均来自基于Olympus显微镜（BX51WI）搭建的膜片钳记录系统（图3）。

图3：基于Olympus显微镜（BX51WI）搭建的膜片钳记录系统

对于在电生理实验中的应用，Olympus BX51WI拥有一系列优点。

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。

// 通讯作者

 

薛天：

中国科学技术大学生命科学与医学部教授

中国生理学会常务理事

 

 

 

 

 

 

鲍进：

中国科学技术大学生命科学与医学部特任研究员（现为中国科学院深圳先进技术研究院研究员）

论文链接：https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(22)00912-6