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雄雞報(bào)曉，蜘蛛半夜結(jié)網(wǎng)，向日葵在清晨開放……在生物體中廣泛存在的晝夜節(jié)律，對(duì)調(diào)節(jié)人們一天之中的運(yùn)動(dòng)、睡眠、代謝等諸多生理過(guò)程起著重要作用。比如，在人類社會(huì)中，一旦晝夜節(jié)律紊亂，會(huì)導(dǎo)致包括睡眠、情緒障礙在內(nèi)的各種疾病。

因此，理解晝夜節(jié)律現(xiàn)象在神經(jīng)系統(tǒng)中是如何產(chǎn)生、維持以及發(fā)揮作用的，是神經(jīng)科學(xué)的重要研究方向，也與人類健康息息相關(guān)。2017年諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)就頒發(fā)給了3位科學(xué)家，以表彰他們發(fā)現(xiàn)晝夜節(jié)律在分子水平是由一系列核心節(jié)律基因構(gòu)成的轉(zhuǎn)錄翻譯反饋環(huán)路所產(chǎn)生。

不過(guò)，晝夜節(jié)律在大腦中是如何產(chǎn)生的?科學(xué)家們尚不清楚。日前，中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心、上海腦科學(xué)與類腦研究中心、神經(jīng)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室嚴(yán)軍研究組，在解碼大腦的晝夜節(jié)律方面有了新突破。

原來(lái)，大腦中有一個(gè)生物節(jié)律核心起搏器——視交叉上核，它驅(qū)動(dòng)著我們的晝夜節(jié)律。但這究竟是如何做到的呢?研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)：就像棱鏡能把光線分解成不同顏色的光譜一樣，視交叉上核能夠接收視網(wǎng)膜傳遞而來(lái)的外界光暗信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換為節(jié)律信號(hào)，不同的神經(jīng)元通過(guò)相互作用產(chǎn)生不同相位的振蕩。這些不同的相位如同日晷上的不同時(shí)辰，能告訴我們現(xiàn)在是一天中的幾點(diǎn)鐘。

“這為研究哺乳動(dòng)物晝夜節(jié)律的神經(jīng)機(jī)制奠定了重要基礎(chǔ)。”中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心研究員嚴(yán)軍表示。

他告訴經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)記者，以往研究對(duì)視交叉上核全面的細(xì)胞分型、不同細(xì)胞類型在視交叉上核中的空間分布，以及這些細(xì)胞類型在晝夜節(jié)律中是如何發(fā)揮作用的，均不清楚。此次，研究團(tuán)隊(duì)采用先進(jìn)的單細(xì)胞技術(shù)，首次對(duì)小鼠晝夜節(jié)律中樞——視交叉上核開展了全面的細(xì)胞分型、重構(gòu)和分析，獲得了視交叉上核不同細(xì)胞類型以及神經(jīng)元亞型的時(shí)空基因表達(dá)，以及細(xì)胞構(gòu)筑等信息。

通過(guò)對(duì)不同晝夜時(shí)間點(diǎn)取樣的小鼠視交叉上核進(jìn)一步分析，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，視交叉上核中各種非神經(jīng)元細(xì)胞與神經(jīng)元一樣，都存在廣泛的節(jié)律基因表達(dá)，這暗示了視交叉上核中各類細(xì)胞均有細(xì)胞特異性的節(jié)律功能。

有趣的是，研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，所有非神經(jīng)元細(xì)胞中的核心節(jié)律基因振蕩相位均明顯晚于神經(jīng)元中的振蕩相位;在神經(jīng)元中，視交叉上核的神經(jīng)元相對(duì)于非視交叉上核神經(jīng)元，具有明顯更高的核心基因表達(dá)。

“以往研究表明，核心節(jié)律基因的表達(dá)在視交叉上核的神經(jīng)元中呈現(xiàn)出同步振蕩，并且處于不同空間位置細(xì)胞具有不同的振蕩相位。”嚴(yán)軍說(shuō)，如今，我們終于找到了這些細(xì)胞是什么類型的細(xì)胞，這為下一步研究它們的功能，以及對(duì)它們實(shí)行操控打下了基礎(chǔ)。(記者 沈慧)