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2023年6月2日，《Nature Communications》期刊在線發表題為《下丘腦食欲素能系統參與調節發育期突觸發生的晝夜節律性》的研究論文，該工作由中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心（神經科學研究所）、神經科學國家重點實驗室杜久林研究組完成。該研究以經典的視網膜-視頂蓋突觸為模型，運用在體雙光子長時程成像，發現了發育早期突觸形成速率存在晝夜節律性，為生物鐘參與調節動物發育過程提供了重要理論基礎，為認識神經環路聯接建立的發育規律提供了重要實驗依據。?
晝夜節律是生物體的一種計時現象，通常受到外界環境因素的影響，如光照和溫度，并以24小時為周期進行振蕩。在生理條件下，生物鐘協調著神經、內分泌、心血管、免疫、代謝以及很多其他生物系統的功能。但是，除了在諸如斑馬魚幼魚的細胞周期、果蠅的羽化，以及哺乳動物腎臟器官形成中有少量報道外，人們對于生物鐘是否以及如何調節生物體早期發育過程的認識極其匱乏。?
為了回答這一問題，研究人員選用了斑馬魚幼魚的視網膜-視頂蓋突觸來研究神經系統發育中的關鍵環節?- “突觸發生（synaptogenesis）”過程是否受到生物鐘的調節。斑馬魚是在體研究早期發育過程的理想模式脊椎動物，其視網膜-視頂蓋系統是在體研究神經纖維和突觸發育的經典模型。研究人員應用在體光學成像技術，對同一個活體樣本中的同一個對象進行長時程觀測，對發育的動態過程進行細致觀察。研究人員在前期的工作中建立了特異標記視網膜-視頂蓋突觸的轉基因斑馬魚模型（杜旭飛等，Sci Rep 2018），在本研究中則是利用該模型來探究突觸發生是否具有晝夜節律性。?
首先，研究人員將出生后的斑馬魚幼魚放在正常亮暗光照條件下，經過四天的訓練或牽引（entrainment）后，開展以6小時為時間間隔、持續兩天的長時程成像。分析發現突觸數量的增長速率存在白天快、夜晚慢的晝夜振蕩。這一振蕩現象在亮暗光照牽引后轉入持續亮或持續暗的光照條件，或者經過反向的暗亮光照條件牽引后都能保持，而在生物鐘基因突變體（clocka-/-）中消失，提示這一振蕩受到內源生物鐘系統調節，具有晝夜節律性。進一步地，研究人員通過高時間分辨率成像分析突觸發育的動態過程，發現這一節律是由突觸形成（synapse formation）而非突觸消除（synapse elimination）速率的晝夜差異造成的。?
接著，研究人員發現突觸生長速率的節律性在下丘腦食欲素能（hypocretin/orexin）神經系統功能阻斷后消失，提示該系統參與調節突觸發育節律現象。最后，研究人員通過生物鐘基因突變或食欲素能神經元受體突變破壞突觸發生的節律性，發現可以造成視網膜神經節神經元軸突分枝變大、復雜度降低，突觸數量減少、在軸突分枝區域中的密度降低和排布不均衡的結構變化；同時通過檢測突觸后視頂蓋神經元的感受野，發現其感受野發生了與突觸前神經元軸突分枝變大相呼應的增大現象，即其視銳度功能發育受到影響。?
此研究工作一方面揭示了生物鐘對生物體早期發育過程也具有調節作用，擴展了生物鐘的功能譜；另一方面，揭示了神經系統環路發育過程中的一種新的調節機制。工作中發現的參與睡眠-覺醒調節的下丘腦食欲素能神經元作為生物鐘的下游參與調節此節律現象，為研究生物鐘與睡眠-覺醒的相互作用以及生物鐘的輸出路徑提供了新的研究思路。?
該研究工作在杜久林研究員的指導下，主要由杜旭飛博士和李福寧博士共同完成；杜旭飛博士是該工作的共同通訊作者；彭小蘭博士對該課題也做出了重要貢獻。該研究工作得到了中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心嚴軍研究組和蘇州大學王晗研究組的大力幫助。該工作得到科技部、中國科學院的資助。?
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