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圖片來源 https://journals.plos.org/plosbiology/article?id=10.1371/journal.pbio.3002412
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美國約翰霍普金斯大學和美國國家衛生研究院(NIH)的科學家在小鼠視覺系統中,發現了一種蛋白質,以乎是透過緩衝對光的反應來穩定畫夜節律的關鍵,未來也許可成為治療睡眠障礙和時差的新希望。

這篇論文2023年12月4日發表在《PLoS Biology》(公共科學圖書館生物學)期刊。

科學家早就知道,大多數生物都有畫夜節律這個「時鐘」,這是一組以24小時為週期運行的生物節律,會影響警覺性、疲倦、食慾、體溫和其他週期性行為。

一旦破壞這個系統,比如輪班工作,或是在多個時區和光照區域的長途旅行等,都會產生嚴重的後果。以前的研究就發現,畫夜節律出現持續性的紊亂,與癌症、憂鬱症等疾病的風險增加有關。

這篇論文通訊作者、約翰霍普金斯大學神經科學系教授暨基礎生物醫學研究所副所長Alex Kolodkin表示,如果畫夜節律可以適應光照的每一次快速變化,比如日蝕或非常昏暗的雨天,它們在調節睡眠和飢餓等週期行為方面,就不會非常有效。

他們的研究發現,蛋白質有助於在神經發育過程中連接大腦,進而能夠對每天的畫夜節律挑戰,做出穩定的回應。

這套畫夜節律系統,基本上是透過暴露在光線下進行訓練。過去幾十年來,雖然科學家在解釋畫夜節律機制上有了長足進展,但還是不太清楚大腦是如何與這套系統連接。

為了了解更多訊息,Alex Kolodkin和他領導的研究團隊探索了視交叉上核(suprachiasmatic nucleus,SCN)這個小鼠大腦畫夜節律控制中心,在發育過程中存在的分子生物資料庫。視交叉上核位於小鼠和人類大腦下視丘的深處,靠近控制視覺的區域,並和通往視網膜這個感光區域的腦細胞建立聯繫。

他們很快就鎖定teneurin-3(Tenm3)這個細胞表面蛋白上。Tenm3是一個更大蛋白質家族的一部分,在視覺系統迴路及其他更廣泛的中樞神經系統迴路中,扮演關鍵角色。

研究團隊因此設計了一組實驗,想了解Tenm3是如何穩定畫夜節律,或是畫夜節律是如何受到光的干擾。他們把小鼠分成兩組,實驗組是缺乏Tenm3的小鼠,對照組則是Tenm3正常的小鼠,分別接受12小時的明亮與黑暗訓練,然後將黑暗期提前6個小時。

結果發現,對照組小鼠大約需要4天才能重新調整回到原先的畫夜節律,實驗組小鼠的調整速度則快了很多,大約只要一半時間、也就是2天就重新回到原來的畫夜節律。

接下來,研究團隊把測試的光線調暗2倍,發現對照組小鼠大約需要8天來調整畫夜節律週期,實驗組小鼠則只需大約4天。就算是只接受15分鐘的暗光脈 衝,也會觸發缺乏Tenm3 的實驗組小鼠產生一種大腦化學物質,而這個化學物質可以替代光的暴露。

這些研究結果顯示,就算在光照變化的情況下,Tenm3也有助於大腦維持穩定的畫夜節律。如果能更進一步了解Tenm3與畫夜節律系統之間的關係,也許可以找到診斷和治療失眠和其他睡眠障礙的方法,或是開發出克服時差的因應之道。

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