2022年9月2日，北京大學生命科學學院、IDG麥戈文腦科學研究所、定量生物學中心、生命科學聯合中心羅冬根團隊，在《Science Advances》發表題為“An extra-clock ultradian brain oscillator sustains circadian timekeeping”研究論文，報道了一種維持晝夜節律的新型電信號及其神經機制。
晝夜節律由大腦主生物鐘協調控制，其核心為生物鐘基因及其蛋白間的負反饋產生周期為24小時的分子節律（獲2017年諾貝爾生理或醫學獎）。長久以來，領域內普遍認為主生物鐘自身就足以維持晝夜節律（1, 2）。羅冬根團隊的新發現突破了該傳統理論。
(相關資料圖)
羅冬根團隊首次發展了可記錄所有果蠅時鐘神經元精細電活動的方法（3），在本研究中，團隊進一步發展了果蠅大腦時鐘神經元的四電極膜片鉗記錄技術（4），由此觀察到時鐘神經元在全腦范圍內產生同步的節律性動作電位發放，并發現該同步發放完全依賴于主生物鐘外部的突觸輸入。通過大規模篩選上萬種果蠅品系，發現該節律性電活動來自于一小群自發振蕩的神經元，將之命名為xCEO (extra-Clock Electrical Oscillator)。通過遺傳學方法沉默xCEO的神經活動后，時鐘神經元的晝夜節律性電活動輸出完全消失，果蠅行為節律也隨之消失；恢復xCEO神經活動后，行為節律隨之恢復。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律，而要通過整合xCEOs的內源性腦振蕩輸入和自身分子鐘所調控的膜電位變化共同決定晝夜節律性的電活動輸出。研究提示，內源性腦振蕩信號維持晝夜節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的首群振蕩子神經元，并揭示其在維持晝夜節律中的神經機制（圖1）。該研究突破了傳統理論框架，更新了領域內對生物節律的認識，也為研究大腦振蕩神經信號的產生及其功能提供了新途徑。
圖1.?xCEOs對晝夜節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（首都醫科大學）、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。該研究獲國家自然基金委、科技部科技創新2030（腦計劃）、膜生物學國家重點實驗室、生命科學聯合中心和北京腦科學研究所聯合研究項目支持。
參考文獻
1. M. H. Hastings, E. S. Maywood, M. Brancaccio, Generation of circadian rhythms in the suprachiasmatic nucleus. Nat Rev Neurosci19, 453-469 (2018).
2. A. Patke, M. W. Young, S. Axelrod, Molecular mechanisms and physiological importance of circadian rhythms.Nat Rev Mol Cell Biol21, 67-84 (2020).
3. M. T. Li, L. H. Cao, N. Xiao, M. Tang, B. W. Deng, T. Yang, T. Yoshii, D. G. Luo, Hub-organized parallel circuits of central circadian pacemaker neurons for visual photoentrainment in Drosophila. Nat Commun9, (2018).
4. ?M. Tang, L.H. Cao, T. Yang, S.X. Ma, B.Y. Jing, N. Xiao, S. Xu, K.R. Leng, D. Yang, M.T. Li, and D.G. Luo, An extra-clock ultradian brain oscillator sustains circadian timekeeping. Sci. Adv.?8,?eabo5506 (2022).
原文鏈接
https://doi.org/10.1126/sciadv.abo5506
課題組介紹
羅冬根
北京大學生命科學學院研究員
北京大學IDG麥戈文腦科學研究所PI
北京大學定量生物學中心PI
北大-清華生命科學聯合中心PI
研究領域
神經科學的一個核心目標是闡明感知、行為和意識等產生的神經機制。
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) 機械感知對進食的調控 (Science Advances, 2019); 4) 生物鐘的神經機制?(Nature Communications, 2018; Science Advances, 2022）。
實驗室發展了國際前沿的神經電生理技術（包括活體果蠅腦的四電極膜片鉗記錄），結合腦連接組、分子遺傳、光遺傳和雙光子鈣成像等前沿技術，揭示大腦產生感知和行為的基本規律。目前，研究課題包括：(1) 感覺信號編碼和加工的神經機制；(2) 進食、交配等本能行為的神經機制; (3) 生物鐘和睡眠的神經機制。
研究團隊常年招聘博士后、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IDG麥戈文腦科學研究所
關鍵詞： 晝夜節律
