感觉输入，包括来自环境的视觉、听觉和躯体感觉输入，在婴儿大脑发育中起着关键作用。视觉（光线）是哺乳动物最重要的感知，已被确定为促进大脑多个区域的突触发生，这是大脑发育的标志之一。然而，调节这一现象的神经机制以及对认知和学习能力的终生影响仍然是未知的。

在一项新的研究中，来自中国科学技术大学、中国科学院、第三军医大学、上海科技大学和合肥海关技术中心的研究人员确定了光促进哺乳动物早期大脑发育的神经机制和终生影响。相关研究结果于2022年8月8日在线发表在Cell期刊上，论文标题为“Melanopsin retinal ganglion cells mediate light-promoted brain development”。论文通讯作者为中国科学技术大学生命科学与医学部的薛天（Xue Tian）教授和鲍进（Bao Jin）研究员。

视觉感知从视网膜开始。哺乳动物的视网膜上有三类主要的感光细胞：视杆细胞、视锥细胞和内在光敏性视网膜神经节细胞（intrinsically photosensitive retinal ganglion cell, ipRGC）。与介导视觉图像编码的经典感光细胞---视杆细胞和视锥细胞---不同，ipRGC通过基因Opn4编码的黑视蛋白（melanopsin）被蓝光特异性激活，主要介导非成像视觉（non-imaging visual, NIV）功能，如生物钟的光诱导作用、瞳孔光线反射和情绪调节。在发育过程中，ipRGC对光线的反应要比视杆细胞和视锥细胞早得多，并在哺乳动物中介导最早的光线感知，这表明ipRGC可能在光促进大脑发育方面发挥了作用。

在这项新的研究中，这些作者首先发现，与对照组幼鼠（Opn4+/+）相比，缺乏ipRGC光敏感性的新生小鼠（Opn4-/-）在多个感觉皮层和海马体中的迷你兴奋性突触后电流（mini-excitatory postsynaptic current, mEPSC）频率和锥体神经元树突棘数量减少，而这些突触发生的缺乏在另一组从出生就在黑暗中饲养的实验性小鼠中观察到。此外，通过在Opn4-/-新生小鼠的ipRGC中重新表达黑视蛋白，大脑皮层和海马体中的突触发生明显增强。这一结果显示，通过ipRGC的光线感知介导了新生小鼠在大脑早期发育中的光促进的大脑突触发生。

通过质谱分析，这些作者进一步确定了神经肽催产素（oxytocin）是ipRGC介导的光促进皮层和海马体中突触发生的信号分子。他们证实了ipRGC投射到视上核（supraoptic nucleus, SON），并显示视网膜神经节细胞与幼鼠中的视上核和室旁核（paraventricular nucleus, PVN）的催产素能神经元（即表达催产素的神经元）相连接。在ipRGC介导的光线感知的作用下，这种投射导致视上核和室旁核中的催产素能神经元激活，增加了脑脊液中催产素的浓度，从而促进了突触发生。

图片来自Cell, 2022, doi:10.1016/j.cell.2022.07.009。

为了进一步确定在早期发育阶段观察到的皮层突触发生缺陷是否对成年小鼠有任何长期影响，这些作者利用声音辨别任务来测试两个月大小鼠的学习能力。与对照组小鼠相比，Opn4-/-小鼠在学习速度上表现出缺陷，同时这种缺陷可以通过重新表达黑视蛋白或从出生开始人工激活视上核中的催产素能神经元而得到拯救。

薛天教授说，“ipRGC的早期光线感知通过ipRGC-SON-PVN连接激活下丘脑催产素能神经元，有助于皮层突触的形成，并证实光促进的早期皮层发育对成年后的学习能力有长期的影响。”这项新的研究强调了生命早期的光线感知对学习能力发展的重要性，因此呼吁关注婴儿护理的合适光环境。

参考资料：

1. Jiaxi Hu et al. Melanopsin retinal ganglion cells mediate light-promoted brain development. Cell, 2022, doi:10.1016/j.cell.2022.07.009.

2. Study reveals neural mechanism of light-promoted early brain development of mammals

https://medicalxpress.com/news/2022-08-reveals-neural-mechanism-light-promoted-early.html