前沿科学

    光是一切生命产生的原动力，它不仅让大脑“看见”世界，同样也影响着成长过程中大脑的结构发育。在出生后的早期阶段，充足的光照环境能增加婴儿大脑皮层、海马等认知相关区域的神经元突触连接强度，这也是人类意识和学习等脑功能形成的关键机制之一。然而，当前仍不清楚光是通过何种途径影响了大脑发育，以及婴儿的光照缺失会对整个生命周期的大脑功能产生怎样的影响。

    哺乳动物的视觉感知起始于视网膜。在哺乳动物视网膜中主要存在三类感光细胞：对图像特征如形状、色彩、运动等信息编码的视杆细胞和视锥细胞，以及介导对亮度、光照时间等非图像信息编码的视网膜自感光神经节细胞。在哺乳动物出生后的发育过程中，自感光神经节细胞最早形成成熟的感光功能，并调节了昼夜节律、瞳孔对光反射、情绪等重要功能。

    为了探究光促进大脑发育的感光机制，中国科学技术大学薛天教授团队首先利用转基因、外源性病毒感染等技术，敲除了实验小鼠自感光神经节细胞的感光能力，并评估了大脑神经元的突触连接强度。研究人员发现，自感光神经节细胞的感光能力被敲除后，幼年小鼠大脑的神经元突触连接强度显著降低，证明视网膜中的特殊感光细胞—— 自感光神经节细胞，介导了幼年期间光促进哺乳动物大脑发育。

    在哺乳动物视网膜中，自感光神经节细胞占比极低，但这些少量的细胞被光激活后，却可以对多个大脑区域产生重要的发育影响，这暗示光可能协调了与大脑发育相关激素的广泛释放。为此，研究团队利用质谱分析法检测了幼年小鼠脑脊液中的激素含量，发现自感光神经节细胞被敲除时，与突触发育相关的一种激素——催产素，在幼年小鼠的脑脊液中显著降低。至此，研究团队阐明了光促进幼年大脑发育的神经机制：幼年时期视网膜中的自感光神经节细胞被环境光激活后，通过促进大脑中催产素的分泌，增强了大脑神经元的突触连接强度。

    大脑皮层和海马主要负责信息识别、学习记忆等功能。这些区域的突触发育迟滞，可能会对动物的认知造成长久的不利影响。研究团队设计了将声音信号与奖励或惩罚关联的学习行为范式，探究幼年光照的缺失对成年后学习能力的影响。通过对比成年后小鼠的学习行为，研究团队发现幼年期自感光神经节细胞感光能力的缺失，会导致小鼠成年后的学习速度显著下降，证明幼年充足的光照有利于成年时期的学习记忆功能。

    这项研究揭示发育早期光的输入，促进了大脑神经元突触发育的感光、神经环路和分子机制，并证明了发育早期光的输入对成年后的学习能力有着长远的增强作用。这些过程可能普遍存在于哺乳动物中：一方面，公共卫生体系需要更加关注婴幼儿的护理光照环境，特别是产房的环境光照明；另一方面，在儿童大脑发育的关键期，要保障充足的户外活动以维持足够的阳光照射。

    这项研究为婴幼儿大脑发育与认知功能障碍等相关疾病，提供了潜在的非侵入式干预和治疗手段，那就是确保充足的光照，并使用特异性光谱靶向治疗。

    （第一作者系中国科学技术大学博士后，第二作者系中国科学技术大学教授）