为什么我们在光线明亮的环境中难以入睡？为了回答这个问题，研究人员使用新技术首次追踪了感光细胞接受并反馈外界光线过程的三维信息，解释了光线如何影响生物钟，并为研究神经元间联系提供了新的启发。
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来源 Salk Institute
翻译 胡琦琳
审校/编辑 李光昭
近几十年来，科学家们对有关不同神经元之间如何连接，如何相互传送信号等问题有了更多了解。但追踪单个神经纤维的活动——如轴突，一直是个难题。一些轴突的神经纤维可以从脚趾尖一直延伸至头部。理解这些神经元间的联系，对明确大脑如何接收并回应来自身体其他部位的信号有着重要作用。
索尔克研究院（the Salk Institute）和加州大学圣地亚哥分校（UC San Diego）的研究人员们公布了一种新技术，可以追踪神经纤维间联系，并确定神经元间如何进行交流。该团队利用这项技术，详细说明了小鼠的大脑如何响应视网膜接收到的光信号，该研究于 2019 年 10 月 15 日发表在《细胞通讯》（Cell Reports）中。
这篇论文的通讯作者，索尔克研究院的教授 Satchidananda Panda 指出：“这项研究是一个突破，在此之前没有人知道该如何研究这些联系。这项技术有助于我们跨越电子显微镜的局限性。”
新的研究方法结合了几种不同的实验室技术，更好地了解了一类神经元细胞：内在光敏感视网膜神经节细胞（intrinsically photosensitive retinal ganglion cells，ipRGCs）。这些细胞位于眼睛后部的视网膜上，可以表达感知蓝光的蛋白质，被称为视黑蛋白（melanopsin）。
索尔克研究院和加州大学圣地亚哥分校的研究团队，通过病毒将小单氧生成蛋白（mini-SOG）传递给 ipRGCs，这样就可以在电子显微镜下更清晰地观察细胞的活动细节。这个系统将 mini-SOG 束缚在感光细胞的细胞膜上，如此一来，整个神经元，包括它延伸至大脑不同部位的长轴突，都可以被追踪到，并清晰地呈现在光学显微镜下和电子显微镜下。
该项目负责人之一，索尔克研究院客座教授、加州圣地亚哥分校神经科学特聘教授 Mark Ellisman 说：“多尺度光相关的基因导入探针新技术的发展和应用，以及电子显微镜成像技术，使我们可以在神经元细胞中追踪记录到发生在几厘米的距离当中的微小过程。从视网膜延伸至大脑多个重要区域的神经元，参与机体昼夜节律、眼睛的反射和视觉。我们获取了这些神经元细胞在复杂回路中向下一个神经元发出信号过程的三维信息。这一收获是史无前例的。”
研究人员称，此前有关 mini-SOGs 的大部分研究工作都是在细胞系中完成的，这一研究首次尝试通过小鼠模型，来描绘视网膜的神经元是如何连接大脑的。这种方法可以帮助他们更多地了解 ipRGCs 和大脑中其它部分之间的联系。
众所周知，ipRGCs 连接着大脑的许多区域，这些区域分别管理着不同的任务。这些细胞告诉大脑的某个区域外面有多亮，这样我们的瞳孔就会迅速合上。同样，ipRGCs 也与大脑中控制睡眠-觉醒周期的主时钟相连。Panda 说：“不过，在明亮光线中完全清醒的过程却需要用几分钟的时间。在此新方法之前，人们还不能完全了解，同一种 ipRGCs 如何实现针对不同任务用不同时间完成。”
研究人员发现这种时间差异，与视网膜探测光线到达大脑的方式有关。通过向老鼠的眼睛传递 mini-SOG，他们可以追踪到大脑中对光线做出反应并控制瞳孔收缩的部位。
“ipRGCs 与控制瞳孔收缩的神经元间的联系非常紧密，就像水从花园的水管中喷涌而出。”Panda 说，“而 ipRGCs 与主时钟之间的联系就非常的弱，更像是滴灌。”因为 ipRGCs 通过“滴灌系统”这样较慢的方式将光信号传递生理中心，所以任何有意义的信息都需要更长的时间到达大脑，并重置大脑的时间。
Panda 说：“这项研究帮助我们理解了，为什么当你晚上起床打开灯几秒钟喝水，然后通常可以很快地恢复睡眠；但是如果你听到外面有声音，然后开着灯在房间走半小时，就很难再快速入睡了。这是因为已经有足够的光信号到达了大脑的主时钟神经元，并最终唤醒了整个大脑。”
Panda 说道，这项新技术对研究其他神经细胞联系也很有帮助，研究人员基本上可以在任何神经元中用同样的病毒来表达 mini-SOGs，了解不同的神经元如何与不同附属器连接。
Ellisman 补充道：“这些发现和研究方法，为大脑研究员们提供了新的研究机会，可以在一般模型和人类疾病动物模型中更好地研究大脑中神经元的长距离连接机制。”
论文信息
【标题】Synaptic Specializations of Melanopsin-Retinal Ganglion Cells in Multiple Brain Regions Revealed by Genetic Label for Light and Electron Microscopy
【作者】Keun-Young Kim et al.
【期刊】Cell Reports
【时间】15 October 2019
【DOI】10.1016/j.celrep.2019.09.006
【链接】https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S2211124719311830
【摘要】
The form and synaptic fine structure of melanopsin-expressing retinal ganglion cells, also called intrinsically photosensitive retinal ganglion cells (ipRGCs), were determined using a new membrane-targeted version of a genetic probe for correlated light and electron microscopy (CLEM). ipRGCs project to multiple brain regions, and because the method labels the entire neuron, it was possible to analyze nerve terminals in multiple retinorecipient brain regions, including the suprachiasmatic nucleus (SCN), olivary pretectal nucleus (OPN), and subregions of the lateral geniculate. Although ipRGCs provide the only direct retinal input to the OPN and SCN, ipRGC terminal arbors and boutons were found to be remarkably different in each target region. A network of dendro-dendritic chemical synapses (DDCSs) was also revealed in the SCN, with ipRGC axon terminals preferentially synapsing on the DDCS-linked cells. The methods developed to enable this analysis should propel other CLEM studies of long-distance brain circuits at high resolution.
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