日光照射可改善学习记忆！中国科大《CELL》发文揭示脑内谷氨酸合成新通路及相关神经环路机制

众所周知，适度的阳光照射对人体有很多好处，包括维生素D的合成以及多种皮肤疾病的治疗等。此外，人们还发现阳光照射对神经系统也有一定程度的影响，例如适度的日光照射可以改善人们的情绪和认知。然而，由于研究手段的局限，对日光照射引起与神经系统相关的行为变化的深层机制目前并不清楚。而日光照射皮肤最终如何影响脑内神经细胞的代谢以及神经环路的功能也一直是个未解之谜。

5月18日，中国科学技术大学生命科学学院、微尺度物质科学国家研究中心、神经退行性疾病研究中心、中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心的熊伟教授研究组与中国科大化学与材料科学学院黄光明教授研究组合作，在Cell杂志上发表了题为Moderate UV Exposure Enhances Learning and Memory by Promoting a Novel Glutamate Biosynthetic Pathway in the Brain 的研究成果，利用自己近期开发的单细胞质谱技术（该项工作已于2017年发表在PNAS上）结合光遗传、分子生物学、电生理及动物行为学等多种技术方法，揭示了一条脑内谷氨酸合成新通路及其参与紫外线照射改善学习记忆的分子及神经环路机制。

日光照射改善人类情绪、学习和记忆的分子及神经环路机制

 在这项研究中，研究人员首先利用单细胞质谱技术在单个神经元中筛选到几千个可能的分子，其中50个是已经报道过的分子。在这些分子中，最令人振奋的就是在单个海马神经元中发现的UCA，因为这一小分子是首次在大脑中发现。并且UCA在所有被测的脑区中检测得到，包括前额叶皮层（PFC）、次运动皮层（M2）、杏仁中央核（CeA）、尾状核（NAc）、背侧纹状体（DS）及海马区（HPC）。同时，UCA在脑脊液（CSF）中也可以检测得到。 

单分子质谱检测小鼠各脑区中的UCA

紧接着，课题组运用已经构建的紫外线照射模型鼠，模拟了紫外线暴露下小鼠各脑区中UCA的浓度变化。实验表明，以低剂量（7 μW/cm²）的紫外线照射2小时后（相当于在阳光下照射了30分钟），血清中的UCA浓度显著增加并且持续240分钟。相似的UCA浓度变化在其他脑区和脑脊液中也被观测到。并值得注意的是，这一浓度变化在所有脑区中是可逆的，紫外线照射24小时后，所有脑区的UCA浓度均回到被照射前的水平。

那么，血液中UCA的浓度升高如何带动大脑其他各个区域UCA的浓度变化呢？最直接的解释就是，大脑血清中的UCA穿透血脑屏障（BBB）扩散到各脑区。为了证实这个假设，研究通过静脉注射UCA模拟紫外线照射后大脑血液中的UCA浓度提升。结果表面，同位素标记的UCA在除NAc的其他各个脑区和CSF中均能被检测到。

过去的观点认为，UCA只存在于外周系统中，如皮肤、肝、血液和尿液。为了解释UCA在大脑中的功能，研究欲对大脑中的UCA“刨根问底”。运用单分子质谱技术，实验发现组氨酸（HIS）和谷氨酸（GLU）——两种UCA的中间代谢产物也可在单个海马神经元中检测到。同时，HIS-UCA-GLU代谢通路也可在其他脑区被发现。暗示了UCA在大脑中的功能可能是作为神经递质的前体物质。

在细胞内UCA通过一系列的生物代谢酶最终转化成兴奋性神经递质GLU。细胞内的GLU在运动皮层以及海马的神经末梢释放，进而激活运动学习以及记忆相关的脑内神经环路，从而增强动物的运动学习能力以及物体识别记忆能力。

该研究是自上世纪70-80年代之后，再度发现新的脑内GLU生物合成通路。由于GLU在大脑内具有参与细胞内蛋白合成、能量代谢以及兴奋性神经信号传递等多种重要的生理功能，因此该通路的发现对于了解大脑工作机理以及探索相关疾病发生机制都将起到非常重要的作用。

中国科大生命学院博士后朱洪影以及博士研究生王宁为该论文的共同第一作者。熊伟教授与黄光明教授为论文的通讯作者。中国科大薛天教授、宋晓元教授、合肥物质科学研究院钟凯研究员及中国科学院昆明动物研究所李家立研究员等课题组均参与了本项目研究。该研究工作得到了基金委、科技部、中科院先导专项以及中组部青年千人计划等资助。该工作还得到中国科学技术大学同步辐射实验室光电离质谱线站的仪器与技术支持。

部分内容来自：BioArt公众号：作者 刘志睿，编撰 | 刘志睿，责编 | 迦溆

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来源：中国科大生命科学学院