科普：解碼大腦的晝夜節(jié)律

雄雞報曉，蜘蛛半夜結網(wǎng)，向日葵在清晨開放……在生物體中廣泛存在的晝夜節(jié)律，對調(diào)節(jié)人們一天之中的運動、睡眠、代謝等諸多生理過程起著重要作用。比如，在人類社會中，一旦晝夜節(jié)律紊亂，會導致包括睡眠、情緒障礙在內(nèi)的各種疾病。

因此，理解晝夜節(jié)律現(xiàn)象在神經(jīng)系統(tǒng)中是如何產(chǎn)生、維持以及發(fā)揮作用的，是神經(jīng)科學的重要研究方向，也與人類健康息息相關。2017年諾貝爾生理或醫(yī)學獎就頒發(fā)給了3位科學家，以表彰他們發(fā)現(xiàn)晝夜節(jié)律在分子水平是由一系列核心節(jié)律基因構成的轉(zhuǎn)錄翻譯反饋環(huán)路所產(chǎn)生。

不過，晝夜節(jié)律在大腦中是如何產(chǎn)生的?科學家們尚不清楚。日前，中國科學院腦科學與智能技術卓越創(chuàng)新中心、上海腦科學與類腦研究中心、神經(jīng)科學國家重點實驗室嚴軍研究組，在解碼大腦的晝夜節(jié)律方面有了新突破。

原來，大腦中有一個生物節(jié)律核心起搏器——視交叉上核，它驅(qū)動著我們的晝夜節(jié)律。但這究竟是如何做到的呢?研究團隊發(fā)現(xiàn)：就像棱鏡能把光線分解成不同顏色的光譜一樣，視交叉上核能夠接收視網(wǎng)膜傳遞而來的外界光暗信號，將其轉(zhuǎn)換為節(jié)律信號，不同的神經(jīng)元通過相互作用產(chǎn)生不同相位的振蕩。這些不同的相位如同日晷上的不同時辰，能告訴我們現(xiàn)在是一天中的幾點鐘。

“這為研究哺乳動物晝夜節(jié)律的神經(jīng)機制奠定了重要基礎。”中國科學院腦科學與智能技術卓越創(chuàng)新中心研究員嚴軍表示。

他告訴經(jīng)濟日報記者，以往研究對視交叉上核全面的細胞分型、不同細胞類型在視交叉上核中的空間分布，以及這些細胞類型在晝夜節(jié)律中是如何發(fā)揮作用的，均不清楚。此次，研究團隊采用先進的單細胞技術，首次對小鼠晝夜節(jié)律中樞——視交叉上核開展了全面的細胞分型、重構和分析，獲得了視交叉上核不同細胞類型以及神經(jīng)元亞型的時空基因表達，以及細胞構筑等信息。

通過對不同晝夜時間點取樣的小鼠視交叉上核進一步分析，研究團隊發(fā)現(xiàn)，視交叉上核中各種非神經(jīng)元細胞與神經(jīng)元一樣，都存在廣泛的節(jié)律基因表達，這暗示了視交叉上核中各類細胞均有細胞特異性的節(jié)律功能。

有趣的是，研究團隊還發(fā)現(xiàn)，所有非神經(jīng)元細胞中的核心節(jié)律基因振蕩相位均明顯晚于神經(jīng)元中的振蕩相位;在神經(jīng)元中，視交叉上核的神經(jīng)元相對于非視交叉上核神經(jīng)元，具有明顯更高的核心基因表達。

“以往研究表明，核心節(jié)律基因的表達在視交叉上核的神經(jīng)元中呈現(xiàn)出同步振蕩，并且處于不同空間位置細胞具有不同的振蕩相位。”嚴軍說，如今，我們終于找到了這些細胞是什么類型的細胞，這為下一步研究它們的功能，以及對它們實行操控打下了基礎。(記者 沈慧)

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