6月2日，《自然-通訊》（Nature Communications）在線發(fā)表了題為《下丘腦食欲素能系統(tǒng)參與調(diào)節(jié)發(fā)育期突觸發(fā)生的晝夜節(jié)律性》的研究論文。該工作由中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心、神經(jīng)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室杜久林研究組完成。該研究以經(jīng)典的視網(wǎng)膜-視頂蓋突觸為模型，運(yùn)用在體雙光子長(zhǎng)時(shí)程成像，發(fā)現(xiàn)了發(fā)育早期突觸形成速率存在晝夜節(jié)律性，為生物鐘參與調(diào)節(jié)動(dòng)物發(fā)育過(guò)程奠定了重要理論基礎(chǔ)，為認(rèn)識(shí)神經(jīng)環(huán)路聯(lián)接建立的發(fā)育規(guī)律提供了重要實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

晝夜節(jié)律是生物體的一種計(jì)時(shí)現(xiàn)象，通常受到外界環(huán)境因素（如光照和溫度）的影響，并以24小時(shí)為周期進(jìn)行振蕩。在生理?xiàng)l件下，生物鐘協(xié)調(diào)著神經(jīng)、內(nèi)分泌、心血管、免疫、代謝以及較多其他生物系統(tǒng)的功能。然而，除了在諸如斑馬魚(yú)幼魚(yú)的細(xì)胞周期、果蠅的羽化以及哺乳動(dòng)物腎臟器官形成中有少量報(bào)道外，關(guān)于生物鐘是否以及如何調(diào)節(jié)生物體早期發(fā)育過(guò)程的認(rèn)識(shí)相對(duì)匱乏。

為了回答這一問(wèn)題，研究人員選用斑馬魚(yú)幼魚(yú)的視網(wǎng)膜-視頂蓋突觸來(lái)探究神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)即 “突觸發(fā)生”（synaptogenesis）過(guò)程是否受到生物鐘的調(diào)節(jié)。斑馬魚(yú)是在體研究早期發(fā)育過(guò)程的理想模式脊椎動(dòng)物。它的視網(wǎng)膜-視頂蓋系統(tǒng)是在體研究神經(jīng)纖維和突觸發(fā)育的經(jīng)典模型?？蒲腥藛T應(yīng)用在體光學(xué)成像技術(shù)，對(duì)同一個(gè)活體樣本中的同一個(gè)對(duì)象進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)程觀測(cè)，并對(duì)發(fā)育的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行細(xì)致觀察?？蒲腥藛T前期工作建立了特異標(biāo)記視網(wǎng)膜-視頂蓋突觸的轉(zhuǎn)基因斑馬魚(yú)模型，而本研究則是利用該模型來(lái)探究突觸發(fā)生是否具有晝夜節(jié)律性。

研究人員將出生后的斑馬魚(yú)幼魚(yú)放在正常亮暗光照條件下，經(jīng)過(guò)四天的訓(xùn)練或牽引（entrainment）后，開(kāi)展以6小時(shí)為時(shí)間間隔、持續(xù)兩天的長(zhǎng)時(shí)程成像。分析發(fā)現(xiàn)，突觸數(shù)量的增長(zhǎng)速率存在白天快、夜晚慢的晝夜振蕩。這一振蕩現(xiàn)象在亮暗光照牽引后轉(zhuǎn)入持續(xù)亮或持續(xù)暗的光照條件，或者經(jīng)過(guò)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（clocka^-/-）中消失，提示這一振蕩受到內(nèi)源生物鐘系統(tǒng)調(diào)節(jié)，具有晝夜節(jié)律性。進(jìn)一步，研究人員通過(guò)高時(shí)間分辨率成像分析突觸發(fā)育的動(dòng)態(tài)過(guò)程，發(fā)現(xiàn)這一節(jié)律是由突觸形成（synapse formation）而非突觸消除（synapse elimination）速率的晝夜差異所致。

進(jìn)一步，研究發(fā)現(xiàn)突觸生長(zhǎng)速率的節(jié)律性在下丘腦食欲素能（hypocretin/orexin）神經(jīng)系統(tǒng)功能阻斷后消失，提示該系統(tǒng)參與調(diào)節(jié)突觸發(fā)育節(jié)律現(xiàn)象。該研究通過(guò)生物鐘基因突變或食欲素能神經(jīng)元受體突變破壞突觸發(fā)生的節(jié)律性，發(fā)現(xiàn)可以造成視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)神經(jīng)元軸突分枝變大、復(fù)雜度降低，突觸數(shù)量減少、在軸突分枝區(qū)域中的密度降低和排布不均衡的結(jié)構(gòu)變化；通過(guò)檢測(cè)突觸后視頂蓋神經(jīng)元的感受野，發(fā)現(xiàn)其感受野發(fā)生了與突觸前神經(jīng)元軸突分枝變大相呼應(yīng)的增大現(xiàn)象，即其視銳度功能發(fā)育受到影響。

該研究揭示了生物鐘對(duì)生物體早期發(fā)育過(guò)程具有調(diào)節(jié)作用，擴(kuò)展了生物鐘的功能譜；闡釋了神經(jīng)系統(tǒng)環(huán)路發(fā)育過(guò)程中的新的調(diào)節(jié)機(jī)制。該工作發(fā)現(xiàn)的參與睡眠-覺(jué)醒調(diào)節(jié)的下丘腦食欲素能神經(jīng)元作為生物鐘的下游參與調(diào)節(jié)此節(jié)律現(xiàn)象，為探索生物鐘與睡眠-覺(jué)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。

研究工作得到科學(xué)技術(shù)部、中國(guó)科學(xué)院的支持。

a、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和單個(gè)視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)神經(jīng)元的突觸前長(zhǎng)時(shí)程成像。b-d：在正常亮暗（b）、持續(xù)暗或持續(xù)亮（c），以及反向的暗亮（d）光照條件下突觸數(shù)量增長(zhǎng)速率的周期振蕩。e、晝夜振蕩在clocka基因突變體中消失。f、突觸形成和突觸消除速率的晝夜差異。g、斑馬魚(yú)食欲素能神經(jīng)元的表達(dá)（綠）。h、在食欲素系統(tǒng)功能缺失條件下，突觸生長(zhǎng)速率的節(jié)律性消失。i和j：突觸前視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)神經(jīng)元軸突和突觸分布結(jié)構(gòu)（i）以及突觸后視頂蓋神經(jīng)元感受野（j）在clocka基因突變或食欲素能受體突變體中的變化。k、工作模型。