大腦是如何感知季節變化的？

日本理化學研究所腦科學研究中心（RIKEN Brain Science Institute）Toru Takumi 領導的研究人員發現了動物感知季節的關鍵機制。研究顯示了大腦的生物鐘機制是如何對不同季節的白天時長進行編碼的。伴隨著GABA（氨基丁酸）活動，這一編碼通過特定神經元內氯化物數量的改變實現。

（上）Bmal1在長時間日照後的表達水平。注意上列（背部SCN）與下列（腹部SCN）有相位差。（下）有GABAA（氨基丁酸A型）抑制劑存在時，Bmal1的表達水平。注意上列和下列變得更加同步。圖片來源：Courtesy of RIKEN

季節性記時對人和動物都很重要，並且最近的研究表明這種記時由大腦中的相同部位完成，這個部位控制著我們日常的晝夜節律。這個大腦區域叫做視交叉上核（SCN，suprachiasmatic nucleus），它在一天24小時內循環表達特定的「時鐘」（「clock」）基因，但並不是所有的神經元都以相同的節奏進行。SCN中的兩個區域是反相的，並且隨著晝長的增加，這種反相間隙會增大。

為了理解這是怎麼發生的，研究人員使背部和腹部植入SCN的小鼠生活在長日照和短日照循環的環境中，並測量了不同環境中時鐘基因Bmal1的表達水平。不出所料，長日照組背部和腹部區域循環Bmal1水平有相位差，而短日照組則是同步的。建模分析預測這兩個區域的連接並不是一種雙向溝通，這也是當日照變長時背部區域變成反相的原因。

研究團隊發現神經遞質GABA在這一進程中發揮著關鍵作用。GABA在大多數情況下會抑制神經元的活動。然而，一些SCN神經元事實上是被GABA激活的。首席作者Jihwan Myung 解釋到：「當神經元內部氯化物水平很高時，GABA就會變得很活躍。我們猜測，穿過SCN時GABA功能的這種變化表明，兩群神經元異相是由排斥力造成的。」

當研究人員阻斷GABA活性時，長日照組中的巨大相位間隙消失，並且Bmal1水平的周期變得和短日照組類似。這表明GABA對背部的SCN有特殊影響。

為了測試這種假設，研究團隊測量了其他兩種基因Nkcc1和Kcc2的表達水平，它們負責氯化物的輸入和輸出。研究人員發現在長日照SCN中，這兩種基因的表達發生改變，使得氯化物輸入更多。這使得GABA效用先在背部激活。阻斷氯化物輸入徹底消除了長日照組中的相位間隙，並且像模型預測的那樣，使SCN在12小時的日照周期中訓練，就像短日照組一樣。

Myung說：「就像其他動物一樣，我們的身體也在一直感知季節變化。季節性白晝長度的突然改變可能導致一些人產生嚴重的心理障礙。知道如何調整自己內在的季節性生物鐘是幫助糾正這種紊亂的有效手段。」

（譯審：Y Chen。未經授權，嚴禁轉載。）

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