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研究者揭示“一細(xì)胞，兩遞質(zhì)，兩視覺功能”的神經(jīng)機(jī)制
10月25日，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、麥戈文腦研究所、生命科學(xué)聯(lián)合中心羅冬根團(tuán)隊(duì)在《自然》發(fā)表研究論文，報(bào)道了果蠅同一感光細(xì)胞同時(shí)釋放兩種遞質(zhì)來分離兩種不同視覺功能的神經(jīng)機(jī)制。
R8感光細(xì)胞分離圖像和非圖像視覺的神經(jīng)機(jī)制。（課題組供圖）
“在這一研究中，研究團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用國際領(lǐng)先的果蠅大腦神經(jīng)元的單電極和多電極膜片鉗電生理記錄技術(shù)揭秘了果蠅復(fù)眼調(diào)節(jié)生物節(jié)律的神經(jīng)機(jī)制。”論文通訊作者羅冬根研究員告訴《中國科學(xué)報(bào)》。
經(jīng)過研究，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)果蠅復(fù)眼的一種感光細(xì)胞同時(shí)釋放組胺和乙酰膽堿作為神經(jīng)遞質(zhì)，其中組胺介導(dǎo)精細(xì)的運(yùn)動(dòng)視覺，而乙酰膽堿則通過作用于該團(tuán)隊(duì)新發(fā)現(xiàn)的“巨無霸”傘形神經(jīng)元來調(diào)節(jié)晝夜節(jié)律。每個(gè)“巨無霸”神經(jīng)元的樹突像巨傘一樣覆蓋了整個(gè)視覺腦區(qū)，且不同“巨無霸”神經(jīng)元間通過突觸連接在一起，從而整合大視野光亮度信息。
這些特性是實(shí)現(xiàn)非圖像視覺功能所需的理想特性。進(jìn)而，組胺和乙酰膽堿間還存在相互調(diào)控。這些重要的發(fā)現(xiàn)提示，果蠅視覺信號(hào)的分離源于視覺信號(hào)發(fā)生的最初階段（光感受細(xì)胞以一個(gè)細(xì)胞釋放兩種遞質(zhì)），是一種新的視覺信號(hào)傳遞模式。
神經(jīng)細(xì)胞經(jīng)特殊的連接點(diǎn)——突觸聯(lián)接起來所組成的神經(jīng)環(huán)路是神經(jīng)系統(tǒng)（腦）的基本功能單元，其細(xì)胞間信號(hào)的傳遞通過釋放某種化學(xué)物質(zhì)（神經(jīng)遞質(zhì)）來實(shí)現(xiàn)，不同的神經(jīng)細(xì)胞釋放不同的遞質(zhì)，從而行使不同的功能。視覺最重要的功能是分辨圖像（圖像視覺），而另一些功能（非圖像視覺）雖與圖像生成并無直接關(guān)聯(lián)，但起著重要的輔助作用（如對晝夜節(jié)律的調(diào)節(jié)等）。
盡管研究者們很早就認(rèn)識(shí)到，視覺系統(tǒng)的這兩種功能分別通過兩類感光細(xì)胞來實(shí)現(xiàn)：一類解析局部反差，另一種解析整體光亮度；同時(shí)近年的研究表明，產(chǎn)生局部反差的感光細(xì)胞也能傳遞整體光亮度，但其神經(jīng)機(jī)制尚不清楚。
雖然果蠅的復(fù)眼不同于脊椎動(dòng)物眼，但它和后者有著非常保守的視覺功能和機(jī)制。得益于其豐富的可用于標(biāo)記和操縱視覺通路的遺傳工具，果蠅是當(dāng)前視覺研究的一種重要模式動(dòng)物。
在哺乳動(dòng)物中，有些視覺信號(hào)的分離用“一遞質(zhì)，兩受體”方式，即使用一種遞質(zhì)和有相反電信號(hào)的兩種受體。該工作揭示了在某遞質(zhì)（如果蠅的組胺）無相反電信號(hào)受體的條件下，感光細(xì)胞高效分離視覺信號(hào)的策略，極大促進(jìn)了領(lǐng)域內(nèi)對視覺形成和生物節(jié)律的理解。
羅冬根表示，值得注意的是，哺乳動(dòng)物很多腦區(qū)也有“一細(xì)胞，兩遞質(zhì)”現(xiàn)象，但其生理功能卻還鮮為人知，所以該工作還為“一細(xì)胞，兩遞質(zhì)”的研究提供了新的范式和思路。
此外，該工作中發(fā)現(xiàn)的巨傘形神經(jīng)元和該團(tuán)隊(duì)最近報(bào)導(dǎo)的xCEO（生物鐘外的振蕩神經(jīng)元）屬于同一類神經(jīng)元，說明xCEO不僅能在光暗變化時(shí)實(shí)現(xiàn)內(nèi)源節(jié)律與外部時(shí)間相同步，還能在恒定黑暗條件下維持晝夜節(jié)律，由此可知其對晝夜節(jié)律調(diào)控有著至關(guān)重要的作用。
該研究獲國家自然基金委、科技部科技創(chuàng)新2030（腦計(jì)劃）、膜生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、生命科學(xué)聯(lián)合中心、和北京腦科學(xué)與類腦研究所支持。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06681-6
