黑視蛋白在調(diào)節(jié)睡眠—覺醒狀態(tài)中的作用研究

慕文靜 許慶瑞 張洪娟

（黑龍江省中醫(yī)藥科學(xué)院·哈爾濱 150036）

黑視蛋白在調(diào)節(jié)睡眠—覺醒狀態(tài)中的作用研究

慕文靜 許慶瑞 張洪娟

（黑龍江省中醫(yī)藥科學(xué)院·哈爾濱 150036）

機(jī)體內(nèi)穩(wěn)態(tài)和生物節(jié)律的雙重調(diào)控使睡眠達(dá)到最佳狀態(tài)，通過眼中視網(wǎng)膜對光的信號傳導(dǎo)讓人體的睡眠發(fā)生正常的生物節(jié)律，其中視網(wǎng)膜中具有黑視蛋白表達(dá)的視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞（RGCs）是近年來最新發(fā)現(xiàn)的光感受器，它的神經(jīng)纖維中黑視蛋白的表達(dá)在光引導(dǎo)的睡眠中發(fā)揮著重要的作用。本文通過對國內(nèi)外黑視蛋白的研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)，淺談具有黑視蛋白表達(dá)的視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞（RGCs）對中樞神經(jīng)系統(tǒng)的不同投射位點(diǎn)對睡眠的調(diào)節(jié)作用。

黑視蛋白 視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞 睡眠 覺醒

眾所周知，睡眠受內(nèi)穩(wěn)態(tài)和生物節(jié)律的雙重調(diào)控，最佳的睡眠狀態(tài)是內(nèi)穩(wěn)態(tài)和生物節(jié)律的同步化[1]。光在許多生理和行為方面具有調(diào)節(jié)作用，包括晝夜節(jié)律的交替和睡眠的調(diào)節(jié)。光可以影響睡眠，也可以影響覺醒，表明光在睡眠-覺醒狀態(tài)中可能扮演著直接的角色[2]。

眼是哺乳動物感受并傳輸光信號到中樞神經(jīng)系統(tǒng)的首要介體。目前，視網(wǎng)膜中發(fā)現(xiàn)存在三種光感受器——視錐細(xì)胞、視桿細(xì)胞和表達(dá)黑視蛋白的內(nèi)在光敏感性視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞（photosensitive retinal ganglioncells，RGCs）。其中視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞與腦內(nèi)有關(guān)睡眠核團(tuán)的纖維聯(lián)系及這類神經(jīng)纖維中黑視蛋白的表達(dá)在光引導(dǎo)的睡眠調(diào)節(jié)中發(fā)揮著重要的作用。

1 黑視蛋白

黑視蛋白(melanopsin)是一種在視網(wǎng)膜中的神經(jīng)節(jié)細(xì)胞蛋白?？茖W(xué)家研究表明：黑視蛋白并不能幫助人們看清物體的形狀，但它們卻能夠與光，特別是藍(lán)光發(fā)生反應(yīng)，因為黑視蛋白的光敏蛋白是哺乳動物設(shè)置“機(jī)體生物鐘”所必需的?？茖W(xué)家表示，現(xiàn)在這種蛋白代表了治療糾正混亂的晝夜行為規(guī)律的一個潛在目標(biāo)靶。通過對視網(wǎng)膜的功能研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞（RGCs）對光沒有反應(yīng)，只有少部分含有視黑蛋白的視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞（RGCs）對光有直接特異性反應(yīng)，它不同于視錐和視桿細(xì)胞，與視覺成像無關(guān)，其主要作用就是感應(yīng)光照和調(diào)節(jié)大腦生物鐘中樞。

2 有關(guān)黑視蛋白在睡眠-覺醒節(jié)律調(diào)節(jié)中的作用研究

近年來，新型光色素黑視蛋白在哺乳動物的視網(wǎng)膜內(nèi)層發(fā)現(xiàn)[3、4]。大多數(shù)含有黑視蛋白mRNA的視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞（RGCs）投射至視交叉上核（SCN）[5]。Hannibal J等人[6]研究表明視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞（RGCs）投射至視交叉上核（SCN）這條纖維束中黑視蛋白的獨(dú)立存在，同時介導(dǎo)內(nèi)源性晝夜節(jié)律同步的光/暗周期的主要感光色素。運(yùn)用基因敲除小鼠進(jìn)行實驗[7]，由于缺乏黑視蛋白基因，實驗鼠視網(wǎng)膜電圖（ERG）波峰及速度均減慢，并表現(xiàn)出晝夜節(jié)律調(diào)節(jié)衰減現(xiàn)象。這表明黑視蛋白對哺乳類動物的晝夜節(jié)律調(diào)節(jié)的重要作用。

研究表明[8]具有黑視蛋白表達(dá)的RGCs向中樞內(nèi)投射至我們已知的睡眠調(diào)節(jié)核團(tuán)，而這些核團(tuán)之間也具有相應(yīng)的纖維聯(lián)系，同時均具有黑視蛋白的表達(dá)，這說明具有黑視蛋白表達(dá)的RGCs的纖維投射系統(tǒng)構(gòu)成了一個光驅(qū)動的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在光反應(yīng)的調(diào)控中起著至關(guān)重要的作用。

在GooleyJ J[8]的研究中探討了具有黑視蛋白表達(dá)的視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞（RGCs）對不同大腦區(qū)域的投射位點(diǎn)。研究結(jié)果表明，含有黑視蛋白mRNA的視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞（RGCs）廣泛地投射至視交叉上核（SCN），腹側(cè)下室旁區(qū)（vSPZ），腹外側(cè)視前區(qū)（VLPO），頂蓋前區(qū)（PTA）和外側(cè)膝狀體（LGN）中的膝狀體間小葉（IGL）部分。Hattar[9]等人研究也發(fā)現(xiàn)含有黑視蛋白表達(dá)的視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞（RGCs）的軸突投射至了視交叉上核（SCN），腹外側(cè)視前區(qū)（VLPO）、膝狀體間小葉（IGL）和 橄欖頂蓋前核 (OPN) ，這些結(jié)果表明黑視蛋白可能參與睡眠–覺醒狀態(tài)的調(diào)節(jié)。

同上述結(jié)果相比，主要參與模式視覺的區(qū)域，如外側(cè)膝狀體背側(cè)核（DLG）和丘腦舟狀核（SC），只接受了具有黑視蛋白表達(dá)的視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞（RGCs）少量纖維投射。事實上，大多數(shù)具有黑視蛋白表達(dá)的視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞（RGCs）投射至了視交叉上核（SCN）和頂蓋前區(qū)（PTA），近20%投射到了同側(cè)膝狀體間小葉（IGL）。每個具有黑視蛋白表達(dá)的視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞（RGCs）的軸突側(cè)支投射到了多個腦部區(qū)域，20%具有黑視蛋白表達(dá)的視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞（RGCs）投射至了視交叉上核（SCN）和頂蓋前區(qū)（PTA）。具以往的研究，視交叉上核（SCN）和膝狀體間小葉（IGL）共同接收了單支視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞（RGCs）的投射[10]。以上結(jié)果表明具有黑視蛋白的RGCs在大腦中的投射區(qū)域共同構(gòu)成一個視網(wǎng)膜光系統(tǒng)，獨(dú)立于視覺模式系統(tǒng)，驅(qū)動或促進(jìn)各種光誘導(dǎo)反應(yīng)，包括睡眠–覺醒狀態(tài)的調(diào)節(jié)。

3 不同光譜對于黑視蛋白影響睡眠-覺醒節(jié)律的作用研究

黑視蛋白感光色素顯示大約480 nm 的光譜峰值，處于藍(lán)-青光這一可視光范圍，這一敏感峰值與一些非影像成型反應(yīng)的光敏感性有關(guān)系[11]。實驗表明[12]，藍(lán)色光（470nm）導(dǎo)致行為覺醒，提高皮質(zhì)酮和延遲睡眠。相比之下，綠色光（530nm）產(chǎn)生快速的睡眠誘導(dǎo)。相比于野生型小鼠，這些反應(yīng)在黑視蛋白基因敲除小鼠改變，藍(lán)色光增強(qiáng)睡眠響應(yīng)，但綠色或白色的光延遲睡眠。實驗研究進(jìn)一步表明藍(lán)光在促進(jìn)睡眠時視交叉上核（SCN）比腹外側(cè)視前區(qū)（VLPO）產(chǎn)生更高的Fos表達(dá)，而綠光時則腹外側(cè)視前區(qū)（VLPO）產(chǎn)生更高的Fos表達(dá)?？偟膩碚f，實驗數(shù)據(jù)表明，夜間光照可以產(chǎn)生喚醒或睡眠的作用，而這些反應(yīng)是黑視蛋白介導(dǎo)的不同光譜靈敏度的神經(jīng)通路。小鼠暴露于藍(lán)光和綠光刺激30 min后視交叉上核（SCN）和腹外側(cè)視前區(qū)（VLPO）作用進(jìn)行定量PCR基因表達(dá)分析（qPCR），與之前的研究結(jié)果相一致。在視交叉上核（SCN）藍(lán)光比綠色光產(chǎn)生了更多的Fos蛋白表達(dá)，而在腹外側(cè)視前區(qū)（VLPO）綠色光比藍(lán)色光產(chǎn)生更多的Fos蛋白表達(dá)。這些數(shù)據(jù)表明，藍(lán)色和綠色光的不同的行為影響通過在視交叉上核（SCN）和腹外側(cè)視前區(qū)（VLPO）分子反應(yīng)所映照，表明不同途徑光的行為可能介導(dǎo)促眠和促覺醒作用。

4 總結(jié)與討論

本文通過對國內(nèi)外黑視蛋白的研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)，淺談具有黑視蛋白表達(dá)的視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞（RGCs）對中樞神經(jīng)系統(tǒng)的不同投射位點(diǎn)對睡眠的調(diào)節(jié)作用。隨著醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的不斷進(jìn)步，相信不久的將來會更好的闡釋黑視蛋白的作用，及其對睡眠等的具體作用機(jī)制，包括基因、分子等的深入研究。這些研究將對臨床相關(guān)疾病的診斷及治療提供更加可靠的依據(jù)。

[1] Borbely A A．A two process model of sleep regulation［J］．Hum Neurobiol，1982，1(3)：195-204．

[2] Lockley S W,Evans E E,Scheer F A,et al.Short-wavelength sensitivity for the direct effects of light on altertness,vigilance,and the waking electroencephalogram in humans[J].sleep,2006,29(2):161-8.

[3] Provencio I, Rodriguez IR, Jiang G, Hayes WP, Moreira EF, Rollag MD (2000) Anovelhumanopsinintheinnerretina. JNeurosci20:600-605.

[4] Provencio I,Rollag MD,Castrucci AM (2002) Photoreceptive net in the mammalian retina. Nature 415:493.

[5] Laposky A,Easton A,Dugovic C,et al.Deletion of the mammaliancircadian clock gene BMAL1/Mop3 alters baseline sleep architecture and the response to sleep deprivation[J]. Sleep,2005, 28(4): 395-409.

[6] Freedman MS, Lucas RJ, Soni B, von Schantz M, Munoz M, David-Gray Z,Foster R (1999) Regulation of mammalian circadian behavior by non-rod, non-cone, ocular photoreceptors. Science 284:502-504.

[5] Gooley JJ, Lu J, Chou TC, Scammell TE, Saper CB (2001) Melanopsin in cells of origin of the retinohypothalamic tract. Nat Neurosci 4:1165.

[6] Hannibal J,Hindersson P,Knudsen SM, Georg B,Fahrenkrug J (2002) The photopigment melanopsin is exclusively present in pituitary adenylate cyclase-activating polypeptide-containing retinal ganglion cells of the retinohypothalamic tract. J Neurosci 22:RC191.

[7] Alun R,Barnard,Samer Hattar,Mark W.Hankins.Melanopsin Regulates Visual Processing in the Mouse Retina[J]. Current Biology,2006,16:389-395.

[8] GooleyJ J,Lu J,Fischer D,et al.A broad role for melanopsin in nonvisual photoreception[J].J Neurosci,2003,23(18):7093-106.

[9] Hattar S, Liao HW, Takao M, Berson DM, Yau KW (2002) Melanopsin-containing retinal ganglion cells: architecture, projections, and intrinsic photosensitivity. Science 295:1065–1070.

[10] Pickard GE (1985) Bifurcating axons of retinal ganglion cells terminate in the hypothalamic suprachiasmatic nucleus and the intergeniculate leaflet of the thalamus. Neurosci Lett 55:211–217.

[11] Hattar S，Liao HW，Takao M，et al．Melanopsincontaining retinalganglion cells:architecture，projections，and intrinsic photosensitivity［J］．Science，2002，295(5557):1065- 1070．

[12] Violetta Pilorz,Shu K.E.Tam,et al．Melanopsin Regulates Both Sleep-Promoting and Arousal-Promoting Responses to Light［J］．PLOS Biology,2016,14(6).

（2017-01-06 收稿）