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Science:大脑怎样识别白天和黑夜?
发布时间:2019-12-13
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人体具有正常的昼夜节律,一旦被夜间的强光干扰,则很容易导致失眠。对于那些夜班族来说,他们的昼夜节律被打乱,患癌症、心脏病、肥胖、抑郁症和2型糖尿病等的发病率会有所增加。因此,了解人类如何感知光线、产生“聪明”的灯光并保持健康的昼夜节律尤为重要。

DOI: 10.1126/science.aaz0898

近日,索尔克研究所的科学家们在《science》上发表相关研究,他们发现了内在光敏性视网膜神经节细胞(intrinsically photosensitive retinal ganglion cells,ipRGCs)的三种类型,其可以检测光线,并使大脑的昼夜节律与周围的光线保持一致。

评估ipRGCs细胞在人体中的内在光响应

索尔克研究小组对5名捐赠者(3名女性,2名男性,57.2 ± 8.8岁)提供的新鲜视网膜进行了细胞外电生理记录,然后,将一小块视网膜放置在一个多电极阵列上,并在记录介质中添加突触阻滞剂,以阻止视杆细胞和视锥细胞的兴奋输出。

结果发现,30秒的蓝光脉冲(470 nm)下,5个视网膜中均出现光敏细胞。可以得出,细胞对蓝光最敏感,而蓝光在冷白光LED灯和许多电子设备中广泛使用。

这些细胞对光线的内在反应较为缓慢,持续30秒刺激,并且在光线消失后,刺激还会持续几秒。同时发现,黑视素特异性抑制剂opsinamide可以抑制视网膜的内部光反应,从而证实了内在光敏性是由黑视素介导的。


图1:ipRGCs本质上对光敏感

ipRGCs的三种类型

通过对响应参数进行主成分分析(Principal components analysis,PCA),发现ipRGCs的三种细胞类型:1型对光线的反应相对较快,但需要很长时间才能关闭;2型打开和关闭的时间都很长;3型只对强光有反应,且开关都很快。其中,3型细胞最丰富,


人类的ipRGCs表现出不同的亚型

这项新的研究也有助于解释盲人昼夜节律的现象。尽管他们看不见,但仍然能够使他们的睡眠-觉醒周期、昼夜节律与时间的昼夜周期相一致。即通过ipRGCs向大脑发送光信号,即使是那些缺乏将图像传递到大脑所需的视杆细胞和视锥细胞的人也是如此。

研究展望

资深作者Panda说,了解每一种ipRGCs类型的功能,为设计电视、电脑显示器和智能手机屏幕增加了新的维度。

他还提到道,下一步将研究这些细胞在不同光色、强度和持续时间下的净输出——例如,比较它们对短脉冲光和长时间光脉冲的反应,此外,还将探究细胞对光线序列的反应,如蓝光与橙光的转变,即模仿我们在黎明和黄昏时在自然界中遇到的各种光。


从左至右:Ludovic Mure 和Satchin Panda. 来源: 索尔克研究所

此外,在不同年龄的供体视网膜中重复这些实验,以了解年轻人和老年人的ipRGCs功能是否有很大差异,这可能有助于设计室内光线,以便更好地进行昼夜同步,甚至可能有助于老年人和痴呆症患者的情绪改善等。