降临世间后，婴儿不仅通过父母学习新技能，他们还时刻从环境中学习、促进自身的发育。已经有研究告诉我们，婴幼儿在成长发育早期接受的视觉、听觉、触觉等刺激，对于促进大脑高级认知功能的发育至关重要。其中，视觉感知可以促进多脑区的协同发育和高级脑功能的形成。之前的小鼠实验证实，在缺乏光照的黑暗环境中，由于神经肽催产素的缺失，幼鼠多个感知觉皮层突触的形成受阻。但在这个过程中，仍然存在一系列有待解决的问题。发育早期的视觉是如何被感知的？视觉感知促进大脑发育的神经机制是怎样的，缺乏光照又会对大脑发育造成哪些不利影响？本周，在一项发表于《细胞》杂志的最新研究中，由中国科学技术大学薛天教授和鲍进特任研究员领导的研究团队揭开了视觉感知促进大脑发育的神经机制。令人意外的是，出生伊始的视觉感知甚至能对认知能力造成终生影响。
在哺乳动物的视网膜中，存在3种可以感知光线的细胞：视杆细胞、视锥细胞和视网膜自感光神经节细胞（ipRGCs）。我们更熟悉的是前两者：视杆细胞和视锥细胞分别主要感知弱光、无色调的视觉与强光、有颜色的视觉，这两种感光细胞协作，共同构建了我们的成像视觉功能。而我们较为陌生的ipRGCs介导的则是非成像视觉功能。其中，ipRGCs细胞膜上的感光蛋白视黑素起到了关键作用：它们可以特异性感知蓝光波段的光，并且直接投射到影响昼夜节律调节、情绪调控等功能的皮质下区域，对这些功能产生影响。值得注意的是，在早期发育过程中，ipRGCs能感知光线的时间点要远远早于光杆细胞和光锥细胞——出生后的前10天，它们是唯一一种感光细胞。这也令研究人员怀疑，ipRGCs或许就是导致光线促进幼年大脑发育的关键所在。为了验证这个猜想，研究团队利用小鼠模型开展了一系列研究。他们首先敲除了小鼠编码视黑素的Opn4基因。这时，失去ipRGCs感光能力的新生小鼠在早期发育阶段，视觉、体感、听觉等多个感觉皮层和海马椎体神经元的微小兴奋性突触后电流（mEPSC）频率显著降低，椎体神经元的树突棘数量也显著减少，这些结果反映出这些皮层与海马的突触发生受到了抑制。而对于出生后在完全黑暗的环境中成长的小鼠来说，无论是否敲除Opn4基因，其皮层和海马的突触功能与数量没有显著差异。这些实验结果说明，ipRGCs在出生后可能介导了光线对于大脑突触发生的促进作用。而在令基因敲除小鼠重新表达视黑素之后，它们皮层和海马的突触发生显著提高。▲发育早期ipRGCs介导的视觉感知能促进不同大脑高级认知区域神经元突触的协同发育。（图片来源：研究团队；由中国科学技术大学人文与社会科学学院刘慧老师完善）在证实了ipRGCs的光感知促进大脑早期突触发生之后，研究团队的下一个目标便是破解这个过程的神经环路。他们发现，ipRGCs被光激活后，会通过视网膜至下丘脑的ipRGCs-视上核(SON)-室旁核(PVN)神经环路，激活视上核和室旁核的催产素神经元，进而提升脑脊液中的催产素浓度；而催产素作为神经元突触建立的关键调控分子之一，直接促进了多个大脑皮层和海马的突触形成。在随后的行为学研究中，作者发现幼年期ipRGCs光感受的缺失，会导致小鼠成年后的学习速度显著下降。不过，如果能在幼年期人为激活ipRGCs或视上核的催产素神经元，则能避免学习能力的下降。▲发育早期ipRGCs介导的视觉感知提高成年后小鼠的学习能力。（图片来源：研究团队；由中国科学技术大学人文与社会科学学院刘慧老师完善）综上，这项研究发现了在发育早期，视觉感知是如何促进大脑高级认知区域神经元突触协同发育的，并且揭示了发育早期视觉感知对成年后认知能力的影响。这项研究提示公共卫生研究应关注新生儿日常的光环境，并且提出了两项干预手段：确保足够的光照以支持大脑发育与认知功能；此外，使用靶向ipRGCs的光疗手段，或将有助于弥补突触发生过程中与学习能力相关的基因缺陷。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薛天教授和鲍进特任研究员为本文的共同通讯作者。
[1] J.X. Hu, Y.M. Shi et al., Melanopsin retinal ganglion cells mediate light-promoted brain development. Cell (2022) DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.07.009[2] 中国科大揭示光感知促进脑发育的神经机制. Retrieved Aug. 9th, 2022 from http://news.ustc.edu.cn/info/1055/80032.htm
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