光对生物节律、心理和生理有重要的影响，可以用做治疗手段，最为人熟知的是用于治疗季节性抑郁。冬季严重缺乏光照后，人会产生类似抑郁的症状，其随着日照时间的增长会渐渐消失。随着对神经网络解析认知和技术的提高，关于光对神经网络调控的研究正在拓展到治疗抑郁、失眠、老年痴呆、遗传性神经系统疾病等领域。但是，人类目前不清楚光如何影响与认知功能相关的脑网络结构和功能。2020年6月15日，南方科技大学生物系侯圣陶教授研究团队在Nature Communications发表题为Rhythmic light flicker rescues hippocampal low gamma and protects ischemic neurons by enhancing presynaptic plasticity的研究成果，报道利用节律性（40 Hz）的视觉LED光刺激，可有效保护双侧颈总动脉阻塞（2VO）模型小鼠因大脑缺血诱发的神经损伤和学习记忆障碍。目前重大脑疾病，诸如脑卒中、帕金森病等，有着相当高的发病率和致残率，但临床治疗手段极为有限，病人面临长时间、甚至终身残疾的挑战。大脑神经环路解析以及功能调控是当前神经科学与神经工程研究的热点和难点，也是治疗人脑重大疾病的重要手段。近年来，侯圣陶团队通过与美国麻省理工学院、澳大利亚昆士兰大学脑研究院、中国科学院深圳先进技术研究院相关团队合作，成功在小鼠脑卒中模型中开展神经网络调控刺激，进行脑功能康复研究和治疗，取得显著效果。在该研究中，首先该团队利用40 Hz的LED光视觉刺激双侧颈总动脉阻塞（2VO）模型小鼠，发现在海马CA1区局部场电位低频伽马段对应频率出现尖峰，且该区能量得到提升，同时theta与低频gamma的相位幅值耦合也增强。2VO手术后光照鼠比未光照鼠低频gamma能量显著提升并趋于正常水平，其海马CA1区椎体神经元得到有效保护，同时水迷宫试验发现其学习与记忆能力得到恢复。
图1.40 Hz节律性LED光刺激小鼠可提高低频gamma波能量
大脑视觉皮层区域处理的视觉信息可以增强海马区域动态的突触可塑性，作者发现40 Hz LED光刺激同步效应可以增强海马区CA3区域突触前神经递质的囊泡释放，进而增强CA1突触后动作电位，提高突触连接强度。脑卒中后，CA3-CA1神经环路低频伽马振荡受损、神经递质释放紊乱、突触可塑性降低导致神经元死亡。40 Hz LED光刺激，提高CA3-CA1神经环路低频伽马能量，调控神经递质释放，增强突触可塑性，进而保护神经细胞免受脑缺血缺氧带来的损伤，提高康复速度。图2.40Hz光刺激增强CA3-CA1突触前短期可塑性蛋白质组学分析表明LED光刺激后差异表达蛋白与突触功能、细胞死亡以及转录和翻译等相关。功能验证实验表明，光可诱导突触神经传递调节蛋白RGS12的高表达以增强突触可塑性（图3）。值得一提的是，我们知道蛋白翻译后修饰也会参与抑郁、失眠、老年痴呆、遗传性神经系统疾病的发病与治疗机理。如北京大学药学院黄卓研究员和基础医学院梁静研究员等报道发现前脑组蛋白巴豆酰化修饰（histone crotonylation）与表观遗传分子CDYL在抑郁症发生和发展中的作用[2]。清华大学深研院张雅鸥组揭示阿尔茨海默症中乙酰化与巴豆酰化的调控作用[3]。因此，光照除了影响蛋白本身水平的表达以外，是否会影响蛋白翻译后修饰而参与认知功能相关的脑网络结构和功能的调控，值得进一步研究。据悉，南方科技大学生物系科研教学助理郑立枫和余梅为论文共同第一作者，侯圣陶为论文唯一通讯作者。南科大本科生林锐、汪云轩、卓展参与了论文研究全过程。该研究得到了中国科学院深圳先进技术研究院研究员王立平课题组，MIT皮考尔学习与记忆研究所（The Picower Institute for Learning and Memory）所长蔡立慧教授，南科大实验动物中心、分析测试中心和前沿与交叉科学研究院的大力支持。景杰生物为该研究的蛋白质组学提供了检测和分析工作。1. Lifeng Zheng, et al., 2020, Rhythmic light flicker rescues hippocampal low gamma and protects ischemic neurons by enhancing presynaptic plasticity. Nature Communications.2 Liu Y, et al., 2018, CDYL-mediated histone crotonylation regulates stress-induced depressive behaviors. Biological Psychiatry.3. Ziqiang Wang, et al., 2019, NEAT1 regulates neuroglial cell mediating Aβ clearance
via the epigenetic regulation of endocytosis‑related genes expression. Cellular and Molecular Life Sciences.AD与翻译后修饰：清华大学深研院张雅鸥组揭示阿尔茨海默症中乙酰化与巴豆酰化的调控作用
巴豆酰化与郁抑症：Biological Psychiatry：首次报道组蛋白巴豆酰化修饰在抑郁症中的作用
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邹文安