報(bào)道來(lái)源：中科院神經(jīng)所

2023年05月11日，《Neuron》期刊在線發(fā)表了中國(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)研究所）嚴(yán)軍研究組題為《Cholecystokinin neurons in mouse suprachiasmatic nucleus regulate the robustness of circadian clock》的研究論文。該研究通過(guò)在體鈣信號(hào)記錄、光遺傳學(xué)、化學(xué)遺傳學(xué)、單分子熒光原位雜交和節(jié)律行為學(xué)監(jiān)測(cè)等研究技術(shù)，發(fā)現(xiàn)了哺乳動(dòng)物的視交叉上核（Suprachiasmatic Nucleus，SCN）中膽囊收縮素（Cholecystokinin，CCK）神經(jīng)元對(duì)于調(diào)控晝夜節(jié)律的穩(wěn)定性具有重要作用。該研究為理解哺乳動(dòng)物晝夜節(jié)律的神經(jīng)調(diào)控機(jī)制提供了重要線索。

晝夜節(jié)律是生物為適應(yīng)地球24小時(shí)自轉(zhuǎn)而進(jìn)化出的內(nèi)在計(jì)時(shí)機(jī)制，對(duì)于生物的生存、人類的健康和發(fā)展至關(guān)重要。晝夜節(jié)律既能被外界信號(hào)（如光照）所牽引，又能在不同的環(huán)境（如季節(jié)更替）下穩(wěn)定工作，但其背后的神經(jīng)機(jī)制仍不清楚。位于下丘腦最下方的視交叉上核（SCN）被認(rèn)為是哺乳動(dòng)物最核心的晝夜節(jié)律起搏器。SCN通過(guò)接受外界信號(hào)的影響，產(chǎn)生自持的節(jié)律性振蕩，調(diào)節(jié)機(jī)體的各項(xiàng)生理過(guò)程和行為以適應(yīng)環(huán)境。小鼠的SCN中大約包含20000個(gè)細(xì)胞，其中的神經(jīng)元主要通過(guò)神經(jīng)遞質(zhì)和眾多神經(jīng)肽段的信號(hào)傳導(dǎo)相互作用，形成具有節(jié)律功能的復(fù)雜神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。目前對(duì)SCN的研究主要集中在表達(dá)血管活性多肽（Vasoactive intestinal polypeptide , VIP）和精氨酸加壓素（Arginine vasopressin , AVP）的這兩類神經(jīng)元中。此前，嚴(yán)軍研究組通過(guò)單細(xì)胞測(cè)序和透明化熒光成像技術(shù)發(fā)現(xiàn)SCN中存在另外一類表達(dá)CCK神經(jīng)肽的神經(jīng)元。但是CCK這一類神經(jīng)元在晝夜節(jié)律中的具體功能并不清楚。

圖一：使用光纖記錄系統(tǒng)在體記錄SCN中CCK和VIP神經(jīng)元晝夜節(jié)律的鈣活動(dòng)

（A）不同光周期下CCK和VIP神經(jīng)元的鈣活動(dòng)。（B-C）等長(zhǎng)日照下的日均鈣活動(dòng)。（D-E）長(zhǎng)日照下的日均鈣活動(dòng)。

針對(duì)這一科學(xué)問(wèn)題，研究人員通過(guò)設(shè)計(jì)一系列實(shí)驗(yàn)探究CCK神經(jīng)元調(diào)控晝夜節(jié)律的功能。通過(guò)在體光纖記錄，研究人員發(fā)現(xiàn)在不同光周期下，SCN中CCK神經(jīng)元的鈣活動(dòng)都會(huì)在小鼠夜間活動(dòng)開(kāi)始前的固定時(shí)間段達(dá)到峰值，表明CCK神經(jīng)元活動(dòng)編碼小鼠夜間活動(dòng)的啟始點(diǎn)。在模擬夏季的長(zhǎng)日照光周期和極晝的環(huán)境下，VIP神經(jīng)元鈣活動(dòng)的節(jié)律振蕩顯著下降，而CCK神經(jīng)元鈣活動(dòng)仍能保持穩(wěn)定的振蕩（圖一）。通過(guò)損毀和抑制CCK神經(jīng)元的功能，研究人員發(fā)現(xiàn)CCK神經(jīng)元功能缺失會(huì)造成小鼠節(jié)律周期變短，在長(zhǎng)日照光周期和極晝的情況下，導(dǎo)致小鼠轉(zhuǎn)輪行為節(jié)律的穩(wěn)定性顯著降低（圖二）。

圖二：損毀CCK神經(jīng)元小鼠的轉(zhuǎn)輪節(jié)律行為

（A）不同光周期下?lián)p毀CCK神經(jīng)元小鼠的轉(zhuǎn)輪節(jié)律行為。（B）損毀CCK神經(jīng)元導(dǎo)致小鼠節(jié)律周期縮短。（C）長(zhǎng)日照下，損毀CCK神經(jīng)元導(dǎo)致小鼠節(jié)律活動(dòng)的始動(dòng)點(diǎn)提前和結(jié)束點(diǎn)滯后。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，短時(shí)間的光脈沖能瞬時(shí)激活VIP神經(jīng)元的活動(dòng)，卻無(wú)法瞬時(shí)激活CCK神經(jīng)元的活動(dòng)，說(shuō)明CCK神經(jīng)元對(duì)外界光照不明感。然而，光遺傳在體激活CCK神經(jīng)元能夠?qū)е滦∈笮袨楣?jié)律的相位前移，而激活VIP神經(jīng)元能夠誘導(dǎo)相位后移，說(shuō)明SCN中的CCK神經(jīng)元具有與VIP神經(jīng)元不同的節(jié)律調(diào)控功能。在長(zhǎng)日照光周期和極晝的情況下，VIP神經(jīng)元誘導(dǎo)小鼠行為節(jié)律相位后移的能力會(huì)顯著減弱，但是CCK神經(jīng)元仍然可以誘導(dǎo)相位前移。并且，利用光遺傳在體激活CCK神經(jīng)元可以顯著地減弱光脈沖過(guò)程中由VIP神經(jīng)元介導(dǎo)的相位后移作用。通過(guò)光遺傳結(jié)合原位雜交的實(shí)驗(yàn)，研究人員揭示了VIP與CCK神經(jīng)元形成的負(fù)反饋神經(jīng)環(huán)路以及它們的季節(jié)可塑性。

圖三：抑制CCK神經(jīng)元加快小鼠調(diào)節(jié)時(shí)差的速度

（A）倒時(shí)差行為范式中CCK和VIP神經(jīng)元的鈣活動(dòng)。（B-C）化學(xué)遺傳在體抑制CCK神經(jīng)元加快小鼠調(diào)節(jié)時(shí)差的速度。

最后，研究人員通過(guò)在體光纖記錄，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)在小鼠中模擬倒時(shí)差的行為范式中，CCK神經(jīng)元鈣活動(dòng)比VIP神經(jīng)元鈣活動(dòng)的相位移動(dòng)速度顯著滯后，卻與動(dòng)物行為節(jié)律的相位移動(dòng)速度一致，說(shuō)明CCK神經(jīng)元是引起時(shí)差反應(yīng)的重要因素。利用化學(xué)遺傳在體抑制或特異性凋亡CCK神經(jīng)元能夠加快小鼠調(diào)節(jié)時(shí)差的速度，幫助小鼠更快地從時(shí)差反應(yīng)中恢復(fù)（圖三）。

圖四：不同光周期下SCN中三類神經(jīng)元相互作用模式圖

該工作是嚴(yán)軍研究組基于此前發(fā)表的小鼠SCN單細(xì)胞重構(gòu)工作的進(jìn)一步功能研究進(jìn)展。該研究利用多種研究技術(shù)和方法探究了SCN中CCK神經(jīng)元調(diào)控晝夜節(jié)律的功能和神經(jīng)機(jī)制，發(fā)現(xiàn)CCK神經(jīng)元具有光拮抗性，可以與VIP神經(jīng)元形成負(fù)反饋環(huán)路，抑制VIP神經(jīng)元，以此削弱光照對(duì)SCN的去同步化作用，從而穩(wěn)定長(zhǎng)日照下的節(jié)律行為（圖四）。更重要的是，該研究發(fā)現(xiàn)相位滯后的CCK神經(jīng)元是引起飛行時(shí)差反應(yīng)的重要因素，因而抑制CCK神經(jīng)元活動(dòng)有助于倒時(shí)差，為人類飛行時(shí)差反應(yīng)和倒班造成的健康問(wèn)題提供了潛在的治療策略。

該研究在中科院腦智卓越中心嚴(yán)軍研究員的指導(dǎo)下，由腦智卓越中心的謝路成博士、熊洋洋博士和馬丹宜博士共同完成，并得到了嚴(yán)軍研究組陳玖、施凱雯以及復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院神經(jīng)外科楊喬喬博士的幫助。該工作獲得科技部、基金委、中科院、上海市等項(xiàng)目的資助。