黑视蛋白在调节睡眠—觉醒状态中的作用研究

慕文静 许庆瑞 张洪娟

（黑龙江省中医药科学院·哈尔滨 150036）

黑视蛋白在调节睡眠—觉醒状态中的作用研究

慕文静 许庆瑞 张洪娟

（黑龙江省中医药科学院·哈尔滨 150036）

机体内稳态和生物节律的双重调控使睡眠达到最佳状态，通过眼中视网膜对光的信号传导让人体的睡眠发生正常的生物节律，其中视网膜中具有黑视蛋白表达的视网膜神经节细胞（RGCs）是近年来最新发现的光感受器，它的神经纤维中黑视蛋白的表达在光引导的睡眠中发挥着重要的作用。本文通过对国内外黑视蛋白的研究进展进行总结，浅谈具有黑视蛋白表达的视网膜神经节细胞（RGCs）对中枢神经系统的不同投射位点对睡眠的调节作用。

黑视蛋白 视网膜神经节细胞 睡眠 觉醒

众所周知，睡眠受内稳态和生物节律的双重调控，最佳的睡眠状态是内稳态和生物节律的同步化[1]。光在许多生理和行为方面具有调节作用，包括昼夜节律的交替和睡眠的调节。光可以影响睡眠，也可以影响觉醒，表明光在睡眠-觉醒状态中可能扮演着直接的角色[2]。

眼是哺乳动物感受并传输光信号到中枢神经系统的首要介体。目前，视网膜中发现存在三种光感受器——视锥细胞、视杆细胞和表达黑视蛋白的内在光敏感性视网膜神经节细胞（photosensitive retinal ganglioncells，RGCs）。其中视网膜神经节细胞与脑内有关睡眠核团的纤维联系及这类神经纤维中黑视蛋白的表达在光引导的睡眠调节中发挥着重要的作用。

1 黑视蛋白

黑视蛋白(melanopsin)是一种在视网膜中的神经节细胞蛋白。科学家研究表明：黑视蛋白并不能帮助人们看清物体的形状，但它们却能够与光，特别是蓝光发生反应，因为黑视蛋白的光敏蛋白是哺乳动物设置“机体生物钟”所必需的。科学家表示，现在这种蛋白代表了治疗纠正混乱的昼夜行为规律的一个潜在目标靶。通过对视网膜的功能研究发现，大多数视网膜神经节细胞（RGCs）对光没有反应，只有少部分含有视黑蛋白的视网膜神经节细胞（RGCs）对光有直接特异性反应，它不同于视锥和视杆细胞，与视觉成像无关，其主要作用就是感应光照和调节大脑生物钟中枢。

2 有关黑视蛋白在睡眠-觉醒节律调节中的作用研究

近年来，新型光色素黑视蛋白在哺乳动物的视网膜内层发现[3、4]。大多数含有黑视蛋白mRNA的视网膜神经节细胞（RGCs）投射至视交叉上核（SCN）[5]。Hannibal J等人[6]研究表明视网膜神经节细胞（RGCs）投射至视交叉上核（SCN）这条纤维束中黑视蛋白的独立存在，同时介导内源性昼夜节律同步的光/暗周期的主要感光色素。运用基因敲除小鼠进行实验[7]，由于缺乏黑视蛋白基因，实验鼠视网膜电图（ERG）波峰及速度均减慢，并表现出昼夜节律调节衰减现象。这表明黑视蛋白对哺乳类动物的昼夜节律调节的重要作用。

研究表明[8]具有黑视蛋白表达的RGCs向中枢内投射至我们已知的睡眠调节核团，而这些核团之间也具有相应的纤维联系，同时均具有黑视蛋白的表达，这说明具有黑视蛋白表达的RGCs的纤维投射系统构成了一个光驱动的网络系统，在光反应的调控中起着至关重要的作用。

在GooleyJ J[8]的研究中探讨了具有黑视蛋白表达的视网膜神经节细胞（RGCs）对不同大脑区域的投射位点。研究结果表明，含有黑视蛋白mRNA的视网膜神经节细胞（RGCs）广泛地投射至视交叉上核（SCN），腹侧下室旁区（vSPZ），腹外侧视前区（VLPO），顶盖前区（PTA）和外侧膝状体（LGN）中的膝状体间小叶（IGL）部分。Hattar[9]等人研究也发现含有黑视蛋白表达的视网膜神经节细胞（RGCs）的轴突投射至了视交叉上核（SCN），腹外侧视前区（VLPO）、膝状体间小叶（IGL）和 橄榄顶盖前核 (OPN) ，这些结果表明黑视蛋白可能参与睡眠–觉醒状态的调节。

同上述结果相比，主要参与模式视觉的区域，如外侧膝状体背侧核（DLG）和丘脑舟状核（SC），只接受了具有黑视蛋白表达的视网膜神经节细胞（RGCs）少量纤维投射。事实上，大多数具有黑视蛋白表达的视网膜神经节细胞（RGCs）投射至了视交叉上核（SCN）和顶盖前区（PTA），近20%投射到了同侧膝状体间小叶（IGL）。每个具有黑视蛋白表达的视网膜神经节细胞（RGCs）的轴突侧支投射到了多个脑部区域，20%具有黑视蛋白表达的视网膜神经节细胞（RGCs）投射至了视交叉上核（SCN）和顶盖前区（PTA）。具以往的研究，视交叉上核（SCN）和膝状体间小叶（IGL）共同接收了单支视网膜神经节细胞（RGCs）的投射[10]。以上结果表明具有黑视蛋白的RGCs在大脑中的投射区域共同构成一个视网膜光系统，独立于视觉模式系统，驱动或促进各种光诱导反应，包括睡眠–觉醒状态的调节。

3 不同光谱对于黑视蛋白影响睡眠-觉醒节律的作用研究

黑视蛋白感光色素显示大约480 nm 的光谱峰值，处于蓝-青光这一可视光范围，这一敏感峰值与一些非影像成型反应的光敏感性有关系[11]。实验表明[12]，蓝色光（470nm）导致行为觉醒，提高皮质酮和延迟睡眠。相比之下，绿色光（530nm）产生快速的睡眠诱导。相比于野生型小鼠，这些反应在黑视蛋白基因敲除小鼠改变，蓝色光增强睡眠响应，但绿色或白色的光延迟睡眠。实验研究进一步表明蓝光在促进睡眠时视交叉上核（SCN）比腹外侧视前区（VLPO）产生更高的Fos表达，而绿光时则腹外侧视前区（VLPO）产生更高的Fos表达。总的来说，实验数据表明，夜间光照可以产生唤醒或睡眠的作用，而这些反应是黑视蛋白介导的不同光谱灵敏度的神经通路。小鼠暴露于蓝光和绿光刺激30 min后视交叉上核（SCN）和腹外侧视前区（VLPO）作用进行定量PCR基因表达分析（qPCR），与之前的研究结果相一致。在视交叉上核（SCN）蓝光比绿色光产生了更多的Fos蛋白表达，而在腹外侧视前区（VLPO）绿色光比蓝色光产生更多的Fos蛋白表达。这些数据表明，蓝色和绿色光的不同的行为影响通过在视交叉上核（SCN）和腹外侧视前区（VLPO）分子反应所映照，表明不同途径光的行为可能介导促眠和促觉醒作用。

4 总结与讨论

本文通过对国内外黑视蛋白的研究进展进行总结，浅谈具有黑视蛋白表达的视网膜神经节细胞（RGCs）对中枢神经系统的不同投射位点对睡眠的调节作用。随着医学领域的不断进步，相信不久的将来会更好的阐释黑视蛋白的作用，及其对睡眠等的具体作用机制，包括基因、分子等的深入研究。这些研究将对临床相关疾病的诊断及治疗提供更加可靠的依据。

[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）