新技术揭示了大脑如何对视网膜接收到的光信号做出反应
来源：news medical|校审：Kate Anderton|2019-10-1 |翻译：聚生物
近几十年来，科学家们对不同神经元之间如何连接和相互发送信号了解了很多。但是很难追踪被称为轴突的单个神经纤维的活动，其中一些可以从脚趾尖延伸到头部。理解这些联系对于弄清大脑如何接收和响应来自身体其他部位的信号很重要。
索尔克研究所(Salk Institute)和加州大学圣地亚哥分校(UC San Diego)的研究人员报告了一种追踪这些连接并确定神经元如何交流的新技术。该团队利用这项技术揭示了大脑如何对视网膜接收到的光信号做出反应的细节，发表于2019年10月15日的《细胞报告》(Cell Reports)上。
Satchidananda Panda, Salk教授，论文共同通讯作者:“这项研究是一个突破，因为之前没有人知道如何研究这些联系。这项新技术使我们能够远远超越电子显微镜的局限性。”
新方法利用几种不同的实验室技术来理解一种叫做内在感光性视网膜神经节细胞(ipRGCs)的神经元。这些细胞位于眼睛后部的视网膜上，它们表达一种叫做黑视蛋白的蛋白质，这种蛋白质可以感知蓝光。
索尔克（Salk）和加州大学圣地亚哥分校（UCSD）的研究小组使用一种病毒将一种叫做迷你单线态产氧蛋白(mini-singlet oxygen-generating protein, mini-SOG)的蛋白质传递给ipRGCs，这样就可以在光学显微镜下更详细地观察细胞。该系统旨在将微型SOG与光敏细胞的膜连接起来，以便整个神经元，包括其延伸到大脑不同部位的长轴突，在光镜和电子显微镜下都能很容易地被追踪。
研究人员称，之前有关mini-SOG的大部分研究工作都是在细胞系中完成的，而利用它们在小鼠身上绘制视网膜神经元如何连接大脑的图谱则是首次尝试。这种方法使他们能够收集有关ipRGCs和大脑不同部位之间联系的新信息。
众所周知，ipRGCs与许多调节不同任务的大脑区域相连。这些细胞告诉大脑的某一区域外面环境的亮度，这样我们的瞳孔就能在不到一秒的时间里迅速闭合以适应环境。同样的ipRGCs也与大脑中控制睡眠-觉醒周期的主时钟区域相连。“然而，这个过程需要几分钟的强光才能让我们完全从睡眠中清醒，”Panda说。“同样的ipRGCs是如何在不同的时间尺度下完成这些非常不同的任务的，目前还不清楚。”
研究人员发现，这种差异与视网膜探测到的光线到达大脑的方式有关。通过向老鼠的眼睛传mini-SOG信号，他们能够追踪到大脑中对光线做出反应的部分。
“前者联系要牢固得多——就像水从花园里的软管里流出来一样，”Panda说。“而ipRGCs和主时钟区域之间的联系较弱，更像是滴灌。”因为ipRGCs通过这个较慢的滴注系统将光信号传递到昼夜节律中心，任何有意义的信息到达并重置大脑时钟需要更长的时间。
Panda说：“这项研究有助于解释为什么，当你在晚上起床喝水，然后打开灯几秒钟，你通常可以马上回去继续睡觉。”但是，如果你听到外面有噪音，最后在家里走来走去半个小时，还开着灯，那入睡就难多了。将有足够的光信号传到达大脑中的主时钟神经元，最终唤醒大脑的其他部分。”
Panda说，这项新技术将对研究其他神经连接很有帮助，因为研究人员基本上可以用同样的病毒来表达任何神经元上的mini-SOG，并研究不同的神经元如何连接不同的组织。
“这些发现和方法为大脑研究人员在正常和人类疾病动物模型中研究大脑的长距离连接提供了新的机会，”Ellisman补充说。
Source:
Journal reference:
Keun-Young, K., et al. (2019) Synaptic Specializations of Melanopsin-Retinal Ganglion Cells in Multiple Brain Regions Revealed by Genetic Label for Light and Electron Microscopy. Cell Reports. doi.org/10.1016/j.celrep.2019.09.006.
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