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浙大郭方團隊 NC 發(fā)文：揭示「春乏秋困，夏夜難眠」背后的神經調控機制

時間：2024-06-06 來源： 瀏覽：

浙大郭方團隊 NC 發(fā)文：揭示「春乏秋困，夏夜難眠」背后的神經調控機制

生物學霸
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來源：浙江大學腦科學與腦醫(yī)學學院， 郭方課題組、 丁香學術
大部分動物，包括人類，都遵循著日出而作、日落而息的晝夜節(jié)律活動模式。隨著季節(jié)的更迭，包括人類在內的許多動物的作息時間也會發(fā)生相應的調整。例如，在寒冷的秋冬季節(jié)，由于夜晚較早降臨，我們的白天的工作和活動通常會提前進行。相反，在炎熱的夏季，高溫往往導致人們難以入睡。此外，隨著溫室效應的加劇和全球氣候變暖，人類的睡眠活動將進一步受到溫度變化的影響。因此，深入了解溫度是如何影響動物睡眠活動的節(jié)律機制，成為了一個至關重要的問題。
在眾多模式生物中，果蠅因其獨特的生理特性成為了解析晝夜節(jié)律機制的理想 模式動物 。對果蠅生物鐘的研究已榮獲 2017 年諾貝爾生理學和醫(yī)學獎（獲獎者 Michael Rosbash 對本研究亦有指導）。果蠅的大腦中存在著一個由約 75 對節(jié)律神經元組成的神經回路，指導著果蠅在一天不同時刻有序地進行各種行為，如進食、運動、睡眠和覺醒等。先前的研究表明，果蠅大腦中的 DN1a 神經元負責對低溫的反應 [1] ，而 DN1p 神經元與果蠅在溫度變化下的生理活動相關 [2, 3] 。然而，在中樞節(jié)律神經回路中誰才是真正主導溫度調控的核心，仍是一個待解之謎。
2024 年 4 月 2 日，浙江大學腦科學與腦醫(yī)學學院、雙腦中心郭方課題組在  Nature Communications  上在線發(fā)表了題為 Dynamic encoding of temperature in the central circadian circuit coordinates physiological activities 的研究論文。該研究通過改進過的先進實驗手段，鑒定出果蠅中的關鍵溫度感知節(jié)律神經元 DN1a 能夠節(jié)律性地響應環(huán)境溫度的變化。DN1a 神經元通過靶向不同的下游節(jié)律神經元 LNd 和 DN3，進而影響果蠅在不同溫度下的睡眠活動。這一發(fā)現(xiàn)為我們研究晝夜節(jié)律神經元如何調控動物在不同溫度下的生理活動機制提供了重要的實驗依據(jù)。
圖源： Nature Communications 
在這項研究中，研究者利用自主搭建的偶聯(lián)精準溫控系統(tǒng)的在體雙光子鈣成像技術，發(fā)現(xiàn) DN1a 神經元不僅能夠被低溫抑制，被高溫興奮，并且 DN1a 對溫度的反應呈現(xiàn)出白天弱夜間強的節(jié)律性變化。此外，進一步的分子機制研究表明，DN1a 對溫度反應的節(jié)律性機制受到內在生物鐘的門控。值得注意的是，通過 RNAi 篩選，研究團隊發(fā)現(xiàn)生物鐘（節(jié)律蛋白）通過內質網(wǎng)上的  SERCA  鈣泵蛋白調控節(jié)律神經元自身的鈣信號振蕩，這為生物鐘調控神經元鈣水平變化提供了重要依據(jù)。此外，研究還發(fā)現(xiàn) DN1a 神經元在整合環(huán)境溫度信息后，能夠靶向不同的下游節(jié)律神經元 LNd 和 DN3，分別調控果蠅在低溫下傍晚活動的提前發(fā)起（DN1a-LNd）和在高溫下夜間活動的增加（DN1a-DN3）。
節(jié)律神經元 DN1a 及下游回路調控溫度依賴的睡眠活動變化
（圖源： Nature Communications ）
這項研究為我們深入理解溫度如何影響睡眠活動提供了重要啟示。在全球氣候變暖的背景下，動物的生理活動正在發(fā)生變化。例如，高溫環(huán)境下動物出現(xiàn)睡眠障礙和厭食等問題的頻率增加 [4, 5] ，這表明氣候變暖對人類和大部分動物的生理活動和疾病發(fā)生具有潛在的持續(xù)影響。雖然目前我們對溫度影響動物生理活動的具體作用機理尚不完全清楚，但果蠅作為一種研究生物節(jié)律的經典模式生物，其豐富的遺傳學工具將有助于我們進一步揭示不同溫度環(huán)境下生理活動變化的保守信號通路和神經機制。通過深入研究果蠅等模式生物的晝夜節(jié)律機制，我們可以為理解人類和其他動物在應對環(huán)境變化時的生理反應提供寶貴的線索和啟示。
不同溫度條件下 DN1a 對果蠅睡眠/覺醒模式的調控示意圖
（圖源： Nature Communications ）
浙江大學腦科學與腦醫(yī)學學院的博士生李海亮為論文的第一作者，博士生李之儀也為本論文做出了重要貢獻，郭方研究員為本論文的通訊作者。該研究得到了浙江大學的李曉明教授、龔薇教授和東南大學的韓俊海教授的鼎力相助。研究工作受到科技部重點研發(fā)項目、國家自然科學基金、國家高層次人才計劃青年項目和浙江大學科技創(chuàng)新團隊 2.0 支持計劃等資助。
郭方博士系浙江大學醫(yī)學院研究員，博士生導師，入選國家高層次人才計劃青年項目。
2018 年初結束在  Michael Rosbash  實驗室的博后研究，回到浙大建立實驗室。其在晝夜節(jié)律和睡眠調控等領域做出了多項開創(chuàng)性工作，在  Nature， Neuron （2018, 2022）， Nature Communications，PNAS  和   Elife  等期刊上發(fā)表過多篇高影響力的學術論文。目前課題組正在招聘博士后，歡迎神經領域的有志之士和郭方研究員聯(lián)系（email： gfang@zju.edu.cn ）。
參考文獻
1. Alpert, M.H., et al., A Circuit Encoding Absolute Cold Temperature in Drosophila. Curr Biol, 2020. 30(12): p. 2275-2288.e5.
2. Yadlapalli, S., et al., Circadian clock neurons constantly monitor environmental temperature to set sleep timing. Nature, 2018. 555(7694): p. 98-102.
3. Jin, X., et al., A subset of DN1p neurons integrates thermosensory inputs to promote wakefulness via CNMa signaling. Curr Biol, 2021. 31(10): p. 2075-2087.e6.
4. Siegel, J.M., Sleep function: an evolutionary perspective. Lancet Neurol, 2022. 21(10): p. 937-946.
5. Gutiérrez, E., R. Vázquez, and R.A. Boakes, Activity-based anorexia: ambient temperature has been a neglected factor. Psychon Bull Rev, 2002. 9(2): p. 239-49.

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