Commun Biol︱明尼苏达大学曹锐峰团队证明生命早期昼夜节律紊乱对成年神经功能和行为的长期影响

学术   2024-11-22 00:01   上海  

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撰文︱柳  栋

审阅︱曹锐峰

责编︱王思珍


昼夜节律在几乎所有动物体内自主产生,贯穿整个生命过程,协调基因表达、神经生理功能和行为。在大脑发育阶段,昼夜节律调控着神经发生、细胞迁移和前体细胞分化等关键过程;在成熟的大脑中,它影响神经元的兴奋性、突触可塑性、记忆形成和情绪。昼夜节律通过转录-翻译反馈环路运行,在哺乳动物中由下丘脑的视交叉上核(SCN)协调,并通过环境光的调节与外部光暗周期同步。昼夜节律对于维持整体健康至关重要,异常的光照如夜间照明、不规则工作班次(如shift work)或频繁跨时区旅行,会扰乱节律,导致多个系统节律的去同步化,短期内表现为时差反应和睡眠障碍。然而,发育阶段的昼夜节律失调对成年脑功能和行为的长期影响尚未明确。


自闭症谱系障碍(ASD是一组复杂的神经发育障碍,其特征是社交互动困难、交流障碍和重复行为。研究表明,ASD与昼夜节律系统的紊乱有关。在ASD人群中,生物节律基因(如Per1Bmal1Nr1d1Rorα/β等)呈现显著多态化;临床上研究发现50-80%ASD儿童存在睡眠障碍,而且皮质醇和褪黑激素等激素的昼夜节律时间曲线异常。此外,在ASD小鼠模型中也观察到了昼夜节律的紊乱。这些发现都提示,昼夜节律紊乱可能在ASD的发病机制中起一定作用。本研究利用小鼠发育模型研究了胚胎和婴儿发育期间昼夜节律紊乱对成年脑功能和行为的影响。


昼夜节律在早期发展阶段的干扰对成年行为和神经发展的影响仍未被充分研究,尽管它与神经发育障碍(如ASD)的联系日益增多。近日,明尼苏达大学医学院的曹锐峰教授团队(现在新泽西罗格斯大学)在Communications Biology上发表了题为“Circadian desynchrony in early life leads to enduring autistic-like behavioral changes in adulthood”的文章,本研究通过建立一种模拟shift work短日short day, SD)小鼠模型,从胚胎第1天到出生后第21天施加8小时光照/8小时黑暗的周期,持续干扰母鼠和幼鼠的昼夜节律。与标准光暗周期下的对照小鼠相比,成年SD鼠表现出多种自闭症类行为,包括降低的社交能力、增加的重复行为和认知障碍。蛋白分析显示前脑mTORC1/S6K1通路的激活增强,这可能是观察到的行为表型的分子基础。该研究证明生命早期昼夜节律紊乱对成年神经功能和行为的长期影响,为将来昼夜节律和自闭症的发病机制研究提供实验依据。


在本研究中,研究者通过一系列行为学和生物化学实验,评估了在胚胎和出生后早期发育阶段经历昼夜节律干扰(SD小鼠)的成年小鼠的神经行为变化。

1 SD小鼠社交能力和社交新奇性降低


首先,研究者探讨了SD小鼠的社交行为。通过标准的三箱社交测试,研究者评估了小鼠与陌生同伴的互动时间和偏好。结果显示,与对照组(CTR)小鼠相比,SD小鼠与另一只小鼠的互动时间显著缩短。这表明SD小鼠的社交性(sociability)降低,对社交活动的积极性和持久性下降(图1A。当引入一只新奇的小鼠作为潜在的社交伙伴时,SD小鼠对其探索时间也显著减少,表现出对新奇社交刺激的反应减弱(图1B。这种对新奇社交对象兴趣的下降可能反映了SD小鼠对社交新奇性 (social novelty) 的偏好降低。这些结果提示,早期的昼夜节律干扰可能导致成年社交能力的减弱,这是自闭症谱系障碍(ASD)的核心症状之一。因此,SD小鼠的行为改变为研究昼夜节律紊乱与ASD之间的关联提供了有力的模型。接下来,研究者评估了SD小鼠的重复性行为,这是ASD的另一个显著特征。通过埋珠实验(marble burying test)和梳理行为(grooming)的分析,研究者发现SD小鼠表现出显著增加的重复性行为。具体而言,SD小鼠在规定时间内埋藏了更多的弹珠(图2A,这反映了其重复和刻板行为的增强。此外,SD小鼠的自我梳理时间也明显延长(图2B,进一步支持了其刻板行为的增加。SD小鼠的这些行为都符合ASD中常见的行为改变。

2 SD小鼠表现出重复和刻板行为


认知功能障碍常见于ASD等神经发育障碍。为了评估SD小鼠的认知功能,研究者进行了新物体识别(Novel Object Recognition)记忆测试,评估与物体识别相关的非空间记忆(图3A。结果显示,CTR小鼠对新物体(N)表现出强烈的偏好,而SD小鼠在新物体和熟悉物体(F)上花费的时间几乎相等。接下来,研究者进行了物体位置记忆(OLM)测试,以评估主要依赖于海马的空间记忆功能(图3BCTR小鼠在训练后24小时,对放置在新位置的物体表现出显著的偏好;而SD小鼠对新位置和熟悉位置的物体偏好相似。这些结果表明,SD小鼠的空间记忆受损。为了进一步验证,研究者进行了Barnes迷宫测试(图3C,用于评估空间学习和记忆功能。CTR小鼠在学习定位逃生点位置方面表现出显著的进步,这体现在获取期四天训练中其找到逃生点所需的时间显著降低。虽然SD小鼠的逃生潜伏期也逐日降低,但与CTR小鼠相比,SD小鼠在每一天的逃生潜伏期都更长,这表明SD小鼠空间学习能力受损。综合以上结果,研究者发现SD小鼠在非空间记忆和空间学习记忆方面均存在受损。这些认知障碍可能与海马功能异常有关。昼夜节律紊乱可能影响海马神经元的发育和突触可塑性,从而导致认知功能的下降。

3 SD小鼠表现出认知功能障碍


焦虑, 抑郁行为和运动功能受损常常合并出现在ASD和其他神经系统疾病中(comorbidity)。在开放场测试(open field test)中,SD小鼠表现出明显的焦虑样行为。与对照组相比,SD小鼠更多地停留在场地的边缘区域,较少进入中心区域,表明其对新环境的探索欲望降低,焦虑水平升高(图4A。在高架十字迷宫中,SD小鼠进入开放臂的次数和时间也显著减少,进一步支持了其抑郁样行为的增加(图4B。在Rotarod测试中,SD小鼠在加速旋转杆上的停留时间明显短于对照组,表明其运动协调能力和学习能力受损(图4C。为评估SD小鼠的抑郁行为,研究者进一步·进行了强迫游泳测试(FST)、尾悬挂测试(TST)和新奇抑制进食测试 (NSF)。在强迫游泳测试和尾悬挂测试中,SD小鼠的不动时间显著长于对照组,提示其抑郁样行为增加。在新奇抑制进食测试中,SD小鼠开始进食的潜伏期延长,进一步支持其抑郁样行为的存在。这些结果表明早期的昼夜节律干扰可能影响这些神经递质的合成、释放和受体表达,从而导致情绪调节的障碍。

4 SD小鼠表现出焦虑和运动协调性障碍


为了探究分子机制,研究者对SD小鼠前脑区域的mTORC1/S6K1信号通路活性进行了分析。WB结果显示,SD小鼠的mTORC1下游目标蛋白S6K1S6的磷酸化水平显著升高,提示该信号通路处于过度活化状态。mTORC1/S6K1通路在细胞生长、蛋白质合成和突触可塑性中发挥重要作用。超活化的mTORC1/S6K1通路可能导致神经元发育和突触连接异常,干扰正常的神经网络功能。这一分子机制可能解释了SD小鼠所表现出的社交缺陷、重复行为和认知障碍。研究mTORC1/S6K1通路在SD小鼠中的超激活也为开发潜在的治疗策略提供了方向。通过调节这一通路,可能有助于纠正或缓解由于昼夜节律中断引起的神经发育障碍。此外,这一发现还强调了维持正常昼夜节律对预防神经发育障碍和维持神经系统健康的重要性,为未来研究这些疾病的治疗和预防策略提供了重要的生物学基础。


文章结论与讨论,启发与展望

研究的结论与启示部分总结了昼夜节律对神经发展和成年后行为健康的深远影响,强调了维持正常的昼夜节律对神经系统发育和健康的重要性。通过这项研究,科学家们能更深入理解昼夜节律如何影响大脑的结构和功能,特别是在关键个体早期发育阶段。研究揭示,昼夜节律的干扰,特别是在生命早期,可能导致神经发展过程中的多种复杂问题,这些问题可能持续到成年后,表现为类自闭症的行为和认知功能障碍。这种影响的根本原因在于昼夜节律对神经元活动、神经递质释放以及细胞内信号传导路径的调控作用。通过详细研究mTORC1/S6K1通路在SD小鼠中的超激活现象,研究者发现这一通路可能是连接昼夜节律干扰与神经发展障碍之间的关键生物学桥梁。mTORC1/S6K1通路在调节细胞生长、蛋白合成和突触可塑性方面发挥着核心作用,其在神经系统中的异常活化与多种发育障碍的病理特征相符。此研究的发现不仅增加了对神经病理学的基础知识,也为开发治疗策略提供了可能的方向。调节mTORC1/S6K1通路的活性可能帮助纠正由昼夜节律失调引起的神经行为异常,为治疗ASD以及其他相关的神经发展障碍提供了新的思路。综上所述,本研究强调了在生命早期保持稳定昼夜节律的重要性,其对健康神经发展的支持不容忽视。未来的研究和治疗开发需要考虑到昼夜节律的调整作用,以及其在预防和治疗神经发展障碍中的潜在应用。


原文链接:https://www.nature.com/articles/s42003-024-07131-3


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