哺乳动物视交叉上核双稳态动态网络调控昼夜节律光 entrainment 的离散性

为探究哺乳动物视交叉上核（SCN）中驱动昼夜节律光 entrainment 相移的神经元回路，研究人员以小鼠为模型开展研究。结果发现 SCN 存在不同功能的神经元群，提出双稳态动态网络模型。这为理解昼夜节律光 entrainment 机制提供新视角。

　　在神奇的生命世界里，生物钟就像一个精准的 “内部时钟”，掌控着动物们众多生理功能的节奏。它能与外界环境的光暗周期同步，这个过程被称为昼夜节律光 entrainment（光 entrainment 是指生物体内的生物钟通过外界光信号的刺激，调整自身的节律，使其与外界环境的光暗周期保持一致的过程 ）。在哺乳动物中，下丘脑的视交叉上核（SCN）作为主时钟，协调着不同组织中的外周时钟。SCN 通过视网膜下丘脑束（RHT）接收来自一类特殊视网膜神经元 —— 内在光敏视网膜神经节细胞（ipRGCs）的信号，这些信号携带环境亮度信息，对于哺乳动物将内部时钟与外部光暗周期同步至关重要。
然而，目前关于动物中枢时钟产生相移行为输出的基本特性存在争议。尽管在哺乳动物中，光如何调节 SCN 中时钟基因表达的细胞内通路已被深入研究，但 SCN 内参与昼夜节律光 entrainment 的具体神经元回路仍不清楚。为了解开这些谜团，来自台湾大学、台湾清华大学等机构的研究人员开展了一系列研究，相关成果发表在《Nature Communications》上。
研究人员采用了多种关键技术方法。在动物实验方面，选用 C57BL/6 小鼠，在 12:12 小时光暗循环、室温（24°C）条件下饲养，使用了 VIP^Cre、Ai14、Fos^2A·iCreER（TRAP2）等多种小鼠品系 。通过立体定位手术，向小鼠 SCN 注射病毒和植入 GRIN 内镜。利用化学遗传学技术，使用 Designer Receptors Exclusively Activated by Designer Drugs（DREADDs）和 4 - 羟基他莫昔芬（4-OHT）来调控特定时间响应光的 SCN 神经元。借助体内双光子显微镜和基因编码的钙指示剂 GCaMP7f，对清醒小鼠 SCN 神经元活动进行单细胞水平的实时成像。
下面来看具体的研究结果：

1. 激活 CT16 捕获的光响应神经元产生相位延迟并打破昼夜节律光 entrainment 死区：研究人员利用 TRAP2 小鼠，向 SCN 注射携带兴奋性 Gs 偶联 DREADDs（rM3Ds）的腺相关病毒（AAV），标记 CT16 或 CT22 响应光的神经元。结果发现，激活 CT16 捕获的神经元会在全天导致显著的相位延迟，打破光 entrainment 死区；激活 CT22 捕获的神经元则能产生类似光诱导的相位 shift，表明 SCN 中至少存在两种功能性光响应回路。
2. 体内双光子钙成像揭示 SCN 神经元多样且动态的光响应：通过双光子显微镜结合 GRIN 内镜，对清醒小鼠 SCN 神经元进行钙成像。研究发现，SCN 神经元在不同时间点对光有不同的响应，且大多数神经元表现出随机的光响应。通过主成分分析（PCA）和 k 均值聚类，将光响应分为 7 种不同类型，每个神经元平均表现出多种光响应类型，暗示存在动态功能电路来编码光信号。
3. VIP 和非 VIP SCN 神经元光响应模式的功能同质性：分析 tdTomato 阳性（VIP⁺）和阴性（VIP^-）神经元的光响应差异，发现两者在平均光响应和光响应组成上无显著差异，挑战了传统认为 VIP 神经元在光 entrainment 中起主导作用的观点。
4. SCN 神经元对光响应的时间依赖性变化：分析不同时间点 SCN 神经元的光响应，发现 ZT8 时光响应中抑制性神经元比例显著降低。跨时间相关性分析表明，SCN 神经元在不同试验和时间点的光响应存在差异，由复杂网络而非简单局部电路调控。
5. 识别三种不同的 SCN 神经元群体及其在相位 shift 和昼夜节律计算中的作用：综合分析神经元在三个不同时间点的光响应，确定了三组不同的神经元群体。一组在 ZT16 持续正光响应，一组在 ZT22 持续抑制，大多数神经元没有一致的光响应。这表明 SCN 的功能网络具有时间门控机制，存在双稳态电路，有助于理解昼夜节律光 entrainment 机制。
   在讨论部分，研究人员指出，通过体内钙成像结合双光子显微镜和 GRIN 内镜，揭示了 SCN 的一些新特性，如对急性光刺激的即时响应、昼夜时间依赖性可变光响应模式等。研究还发现 SCN 内信息处理可能是一个复杂网络结构，而非传统的简单线性电路。此外，研究提出 SCN 动态网络中存在两个 “时间门”，一个类似双稳态转录网络模型，另一个与 ZT8 时抑制减少有关，解释了光 entrainment 死区无行为相位 shift 的现象。
   这项研究具有重要意义，它为理解哺乳动物昼夜节律光 entrainment 的机制提供了新的视角，挑战了传统的线性电路模型，揭示了 SCN 神经元的时间门控特性和双稳态网络模型。这将有助于进一步研究 SCN 神经元亚型的分子标记和功能作用，为深入理解哺乳动物如何使内源性时钟与外部光暗周期匹配奠定基础，对生命科学和健康医学领域的相关研究具有重要的推动作用。