2022年9月2日，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、IDG麥戈文腦科學(xué)研究所、定量生物學(xué)中心、生命科學(xué)聯(lián)合中心羅冬根團(tuán)隊，在《Science Advances》發(fā)表題為“An extra-clock ultradian brain oscillator sustains circadian timekeeping”研究論文，報道了一種維持晝夜節(jié)律的新型電信號及其神經(jīng)機制。
晝夜節(jié)律由大腦主生物鐘協(xié)調(diào)控制，其核心為生物鐘基因及其蛋白間的負(fù)反饋產(chǎn)生周期為24小時的分子節(jié)律（獲2017年諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎）。長久以來，領(lǐng)域內(nèi)普遍認(rèn)為主生物鐘自身就足以維持晝夜節(jié)律（1, 2）。羅冬根團(tuán)隊的新發(fā)現(xiàn)突破了該傳統(tǒng)理論。
(相關(guān)資料圖)
羅冬根團(tuán)隊首次發(fā)展了可記錄所有果蠅時鐘神經(jīng)元精細(xì)電活動的方法（3），在本研究中，團(tuán)隊進(jìn)一步發(fā)展了果蠅大腦時鐘神經(jīng)元的四電極膜片鉗記錄技術(shù)（4），由此觀察到時鐘神經(jīng)元在全腦范圍內(nèi)產(chǎn)生同步的節(jié)律性動作電位發(fā)放，并發(fā)現(xiàn)該同步發(fā)放完全依賴于主生物鐘外部的突觸輸入。通過大規(guī)模篩選上萬種果蠅品系，發(fā)現(xiàn)該節(jié)律性電活動來自于一小群自發(fā)振蕩的神經(jīng)元，將之命名為xCEO (extra-Clock Electrical Oscillator)。通過遺傳學(xué)方法沉默xCEO的神經(jīng)活動后，時鐘神經(jīng)元的晝夜節(jié)律性電活動輸出完全消失，果蠅行為節(jié)律也隨之消失；恢復(fù)xCEO神經(jīng)活動后，行為節(jié)律隨之恢復(fù)。由此，該工作揭示了大腦主生物鐘自身并不足以維持晝夜節(jié)律，而要通過整合xCEOs的內(nèi)源性腦振蕩輸入和自身分子鐘所調(diào)控的膜電位變化共同決定晝夜節(jié)律性的電活動輸出。研究提示，內(nèi)源性腦振蕩信號維持晝夜節(jié)律可能是在昆蟲和哺乳動物中都保守的生物鐘核心機制。
該研究鑒定了果蠅大腦內(nèi)的首群振蕩子神經(jīng)元，并揭示其在維持晝夜節(jié)律中的神經(jīng)機制（圖1）。該研究突破了傳統(tǒng)理論框架，更新了領(lǐng)域內(nèi)對生物節(jié)律的認(rèn)識，也為研究大腦振蕩神經(jīng)信號的產(chǎn)生及其功能提供了新途徑。
圖1.?xCEOs對晝夜節(jié)律的維持羅冬根研究員為本文通訊作者；唐敏博士（PTN）、曹麗慧教授（首都醫(yī)科大學(xué)）、楊甜（2018級生科院博士生）為該文共同第一作者；馬思行（2020級生科院博士生）、荊碧洋博士、曉娜博士、徐爽（2020級生科院博士生）、冷康瑞（2021級生科院博士生）、前實驗室成員李夢彤博士（Columbia University）和楊東博士（Scripps Institute）為本文做出重要貢獻(xiàn)。該研究獲國家自然基金委、科技部科技創(chuàng)新2030（腦計劃）、膜生物學(xué)國家重點實驗室、生命科學(xué)聯(lián)合中心和北京腦科學(xué)研究所聯(lián)合研究項目支持。
參考文獻(xiàn)
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原文鏈接
https://doi.org/10.1126/sciadv.abo5506
課題組介紹
羅冬根
北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院研究員
北京大學(xué)IDG麥戈文腦科學(xué)研究所PI
北京大學(xué)定量生物學(xué)中心PI
北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心PI
研究領(lǐng)域
神經(jīng)科學(xué)的一個核心目標(biāo)是闡明感知、行為和意識等產(chǎn)生的神經(jīng)機制。
羅冬根實驗室利用果蠅、小鼠和非人靈長類等多種模式動物，研究以上過程：1) 視覺“暗光”的分子機制 (Science, 2011; Nature Neuroscience, 2008; Current Biology, 2020); 2) 嗅覺雙相編碼等新機制 (PNAS, 2016;?Nature Communications, 2017); 3) 機械感知對進(jìn)食的調(diào)控 (Science Advances, 2019); 4) 生物鐘的神經(jīng)機制?(Nature Communications, 2018; Science Advances, 2022）。
實驗室發(fā)展了國際前沿的神經(jīng)電生理技術(shù)（包括活體果蠅腦的四電極膜片鉗記錄），結(jié)合腦連接組、分子遺傳、光遺傳和雙光子鈣成像等前沿技術(shù)，揭示大腦產(chǎn)生感知和行為的基本規(guī)律。目前，研究課題包括：(1) 感覺信號編碼和加工的神經(jīng)機制；(2) 進(jìn)食、交配等本能行為的神經(jīng)機制; (3) 生物鐘和睡眠的神經(jīng)機制。
研究團(tuán)隊常年招聘博士后、專職科研人員和科研助理，并招收博士研究生。歡迎有志青年加入。
報道來源：北京大學(xué)IDG麥戈文腦科學(xué)研究所
關(guān)鍵詞： 晝夜節(jié)律
