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昼夜节律在大脑中是如何产生的?

2020-03-02 10:01:00    来源:经济日报

雄鸡报晓,蜘蛛半夜结网,向日葵在清晨开放……在生物体中广泛存在的昼夜节律,对调节人们一天之中的运动、睡眠、代谢等诸多生理过程起着重要作用。比如,在人类社会中,一旦昼夜节律紊乱,会导致包括睡眠、情绪障碍在内的各种疾病。

因此,理解昼夜节律现象在神经系统中是如何产生、维持以及发挥作用的,是神经科学的重要研究方向,也与人类健康息息相关。2017年诺贝尔生理或医学奖就颁发给了3位科学家,以表彰他们发现昼夜节律在分子水平是由一系列核心节律基因构成的转录翻译反馈环路所产生。

不过,昼夜节律在大脑中是如何产生的?科学家们尚不清楚。日前,中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心、上海脑科学与类脑研究中心、神经科学国家重点实验室严军研究组,在解码大脑的昼夜节律方面有了新突破。

原来,大脑中有一个生物节律核心起搏器——视交叉上核,它驱动着我们的昼夜节律。但这究竟是如何做到的呢?研究团队发现:就像棱镜能把光线分解成不同颜色的光谱一样,视交叉上核能够接收视网膜传递而来的外界光暗信号,将其转换为节律信号,不同的神经元通过相互作用产生不同相位的振荡。这些不同的相位如同日晷上的不同时辰,能告诉我们现在是一天中的几点钟。

“这为研究哺乳动物昼夜节律的神经机制奠定了重要基础。”中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心研究员严军表示。

他告诉经济日报记者,以往研究对视交叉上核全面的细胞分型、不同细胞类型在视交叉上核中的空间分布,以及这些细胞类型在昼夜节律中是如何发挥作用的,均不清楚。此次,研究团队采用先进的单细胞技术,首次对小鼠昼夜节律中枢——视交叉上核开展了全面的细胞分型、重构和分析,获得了视交叉上核不同细胞类型以及神经元亚型的时空基因表达,以及细胞构筑等信息。

通过对不同昼夜时间点取样的小鼠视交叉上核进一步分析,研究团队发现,视交叉上核中各种非神经元细胞与神经元一样,都存在广泛的节律基因表达,这暗示了视交叉上核中各类细胞均有细胞特异性的节律功能。

有趣的是,研究团队还发现,所有非神经元细胞中的核心节律基因振荡相位均明显晚于神经元中的振荡相位;在神经元中,视交叉上核的神经元相对于非视交叉上核神经元,具有明显更高的核心基因表达。

“以往研究表明,核心节律基因的表达在视交叉上核的神经元中呈现出同步振荡,并且处于不同空间位置细胞具有不同的振荡相位。”严军说,如今,我们终于找到了这些细胞是什么类型的细胞,这为下一步研究它们的功能,以及对它们实行操控打下了基础。

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