谢谢你的记忆:形似植物光色素的眼睛可能在人类认知脑功能中发挥重要作用

(bob游戏医疗Xpress)光不可避免的在无数方面交织在一起,地球上的生命。在人类,例如,光刺激警觉性和认知,提高性能和增加觉醒。在最近的一项研究中,科学家列日大学比利时和干细胞和大脑研究所、法国证明暴露在长波长光,相对更短的波长,从而增强了对执行的影响大脑功能通过最近发现光色素黑视素、invertebrate-like甚至形似植物的光感受器。通过合并视网膜反应结合功能性磁共振成像(fMRI)记录,研究人员得出结论光的记忆——之前光在后续反应的影响——不仅是典型的视网膜,但某些无脊椎动物和植物的光色素,人类可能因此有无脊椎动物或形似植物的机械眼睛中参与调节认知。此外,他们国家,他们的发现可以解释一种长期适应以前称为照明条件以前光历史影响,支持认知优化照明系统的设计。

霍华德·m·库珀博士和教授Gilles”讨论的论文,研究员萨拉Laxhmi Chellappa及其同事发表在美国国家科学院院刊》上。“黑视素,就像其他无脊椎动物双稳态光色素,可以认为两种不同的光的吸光度,”库珀告诉医疗Xpress。bob游戏具体地说,他解释说,黑视素激活短的波长蓝光,抒发一代的电子信号。反过来,这个信号有两个效果,同时灭活光色素和把它转换到另一个状态,敏感元件将橙色光。关键的是,随后的接触橙色光将重新生成光色素并切换回blue-sensitive状态。换句话说,库珀总结,光视网膜光响应和视网膜photoregeneration驱动器。这不同于古典视杆细胞和视锥细胞,他指出,在这只光驱动器感光的生理反应;再生恢复感光性需要依赖光酶的过程,所谓的类维生素a周期恢复敏感性。“在动物模型中,”他指出,“我们可以通过基因操纵系统解开孤立的每种类型的光感受器的功能。在研究人类的挑战是同时,所有三个感光系统函数,但我们必须利用这种双重状态之间切换视网膜感光性属性的两种形式使用以前的光曝光。”

在实验中,不断暴露在相同的测试光16参与者接受相同的,连续的功能性核磁共振的录音,在此期间,他们执行一个简单的听觉探测任务和听觉工作记忆任务更加困难。“这里的想法是测试相同的测试对认知的影响大脑反应相同的任务,“”说。这使得科学家们孤立确定变量—也就是说,此前曝光的光谱性质,蓝色、绿色或橙色发生前一个小时测试本身。“我们随机光排除之前订单的顺序效应,同时也要求参与者在核磁共振成像扫描仪中感受。”Importantly, he notes, no subjective difference on task difficulty or test light visual perception were found.

研究者还推测,基于光谱灵敏度视网膜的两个州,给定的测试对认知的影响大脑反应会增加,减少,或中间后接触过长,短,分别或中间波长的光。库珀说,长一小时初始接触旨在设置黑视素的敏感性,依赖的假设在60分钟的黑暗时期,直到绿灯下认知测试,视网膜将保持在一个给定的状态。”先前的研究在动物和视网膜的生化特性表明,虽然之前接触蓝色波长光的敏感性降低光色素生成响应,和橙色光增加敏感性产生响应,中另外两个波长之间的绿灯是中性的。因此,我们选择了绿灯测试光条件。”

小说”,库珀描述两个团队开发的关键策略,来应对这些挑战。

• 首先是使用不断调制光强度在认知测试阶段,同时允许他们追踪大脑活动调制。大脑信号可以不断变化,这种变化是一个挑战中提取有效的大脑活动的信号随机背景噪音。这种方法允许科学家们保持大脑信号,改变光信号相关的方式,而拒绝其他多余的变化。
• 的另一个关键因素是建立一个数学模型来预测光谱优化驱动黑视素光敏或photoregenerative状态。这两个不同的州很少可以直接测量,即使在无脊椎动物双稳态光色素,因此必须派生。

扩大他们的研究演示了如何光对人类的重要性认知脑功能和支持视网膜存在认知的作用,库珀指出,尽管人们普遍认为光施加刺激对大脑的影响和提高性能简单的认知任务,他们提出了两个主要结论:首先,光具体地说激活脑区(如前额叶皮层)参与执行功能和提高认知任务的性能;其次,激活的程度取决于光谱质量的预早一个小时光橙色长波长光生产最重要的大脑活动增加这些大脑皮层区域和波长短的光诱导橙色光暴露前相比相对减少。“这是符合理论的双光色素,光作为底漆的增加或减少灵敏度的光转换光色素分子的光敏或photoregenerative构象,”库珀说。“一旦发生这种light-driven转换,光色素仍然稳定在给定的构象,直到第二次曝光重新激活或停用系统。与这一假说,我们的研究结果是一致的结果提供了强有力的证据表明视网膜是一个主要玩家在调节的影响认知反应。此外,”他继续说道,“当前的研究结果也符合”前面的研究,证明在盲人——也就是说,那些缺乏视杆细胞和视锥细胞但可能与功能性视网膜光刺激大脑活动在认知任务。”

该报还对比视网膜色素上皮细胞酶类维生素a周期(要求发色团再生回光敏状态)视网膜是dual-state光色素中光子phototransduction驱动两个过程和发色团再生的一部分。“作为双重状态双稳态光色素,”库珀说,“黑视素发色团不需要再生类维生素a周期视杆细胞和视锥细胞。phototransduction过程rod-cone视蛋白和视网膜是相同的:这始于吸收一个光子,发起phototransduction级联,导致视黄醛改变从一个发色团11-cis到一个all-trans状态,触发生理反应的膜电位的改变。”11-cis和all-trans视黄醛的州同分异构体形式的维生素a。

在all-trans状态,库珀说,光感受器失去能力应对光——通常被称为状态光色素漂白- - -需要转换回11-cis状态。“这就是rod-cone视蛋白和视网膜不同。”视蛋白光敏protein-coupled受体。“视杆细胞和视锥细胞实现通过不依赖光酶类维生素a周期,这是一个缓慢的过程,需要大约15分钟为棒锥和30分钟。人类缺乏功能性色素上皮——例如,从突变导致色素性视网膜炎,不能再生的发色团,因此失明。”

然而,在视网膜,发色团再生就是光依赖。rods-cones相反,all-trans状态是光敏感和吸收的长波长光子可以积极推动发色团回的转换11-cis构象,从而恢复phototransduction属性快速光依赖的过程。这个light-driven切换两种状态,被称为双稳态是常见的无脊椎动物和植物光色素。“在双稳态光色素如视网膜,”库珀指出的那样,“这两个州是稳定的,可以在黑暗中保持一段时间的构象,等待新的光子的可用性。这就是为什么我们使用接触前的光(蓝色、绿色或橙色)'或驱动系统给定的状态,然后让一个小时的黑暗。未知的黑视素多长时间可以保持相同的状态,但某些双稳态无脊椎动物光色素保持稳定一段时间天。”He notes that this does not exclude the possibility that melanopsin may also partly use the retinoid cycle pathways – a process that has only recently been shown for bistable fly rhodopsin.

研究人员还认为视网膜可能提供一个独特的形式的光对人类认知的记忆。“我们称这种独特形式的光的记忆由于视网膜是稳定在一定长度的时间11-cis或all-trans状态,”库珀告诉医疗Xpress。bob游戏“一旦集光系统其中一个州,视网膜将保持状态,直到另一个光子被吸收。因此,之前曝光的光谱性质决定了对随后的光刺激的敏感性。换句话说,视网膜“记得”最近曝光的历史。”Interestingly, Cooper notes that the term光的记忆最初是在1970年代应用于植物光色素——尤其是色素参与刺激或抑制种子萌发——来表达想法,借鉴电子、光色素作为一个双稳态触发器,即使黑视素时间常数是未知的。

”,库珀说,事实上比此前认为的视网膜可能发挥更广泛的作用,并参与调节一个非常广泛的急性和非视觉反应持续光——也就是说,不知觉的,无意识的光线感知——包括生理和季节性节律,荷尔蒙分泌,基因表达,睡眠/唤醒周期,繁殖,心血管功能、脑血流量、体温、严重心率、葡萄糖代谢,免疫系统功能和警觉性。最近,他们指出,黑视素已被证明参与愿景,也许通过调整灵敏度整体光环境。“我们的研究表明,视网膜参与记忆和认知功能,并考虑这些不同的功能,视网膜可能最广泛的功能作用在哺乳动物的视网膜光色素。”

库珀指出当视网膜首次在1998年克隆Ignacio Provencio弗吉尼亚大学,Provencio表明视网膜有更大的相似之处(氨基酸序列的同源性)无脊椎光色素比脊椎动物视杆细胞和视锥视蛋白——这一发现已经被证实了其他动物的系统发育分析光色素。“这表明,视网膜最接近一个飞视紫红质,但奇怪的是,视网膜不被证明在任何无脊椎动物。”That said, he adds that there was debate over whether the rhabdomid or ciliary (that is, invertebrate or vertebrate) types of photopigments were more primitive and appeared first in evolution. However, it is now generally considered that both appeared at the same time and were present in the most primitive organisms – and modern detection techniques have been shown that many, even most, organisms have at least one form of both. Even then, the scientists add, while It has been known for some time that the以前光历史影响——也就是说,光收到几个小时或几天前改变继续我们的敏感度曝光——在一定程度上可以归因于视网膜,这些影响还取决于某种类型的回程的生物钟。(回程系统的依赖当前和过去的环境中,)

在技术应用方面,”和库珀认为他们的结果都是高度相关的公共和国内照明系统的设计。“我们和其他研究结果强烈认为,光强度、光谱质量和时间可以用来优化非视觉或生物光的反应。他们说,一个简单的问题我们需要同样的数量和类型的光在一天的不同时刻?”这个问题可以得到解决的观点的光生物效应和最优使用照明的能源消耗。大多数时间生物学家建议高水平的蓝光在早上帮助建立我们的生物钟和刺激清醒和警觉。相比之下,光会产生不良的影响,如果在不恰当的时间管理。例如,在晚上看起来更合理避免光的刺激效应,有利于降低照明条件与长波长光为主,准备入睡。随着现代LED照明技术的引入这已经变得可行。”

他们承认困难的挑战之一是调和生物效应的最佳照明或视觉感知。“必须召回,视网膜是一个基本上蓝感光光色素,即使在光暴露橙色光增加此之前的反应。相比之下,适应光的视觉感知灵敏度是最大的黄灯。因此,未来的照明方案必须考虑这种双重功能的视网膜增加或减少视觉和非视觉功能根据期望的结果。最后,我们的视网膜光探测系统已经进化,因此适应,阳光光谱强度变化发生在一天。因此似乎是显而易见的,自然光的使用也应该家庭和商业照明设计的重要组成部分。”

库珀说,展望未来,研究社会需求下是确定哪些特定的细胞过程在大脑中被光明与黑暗差异或衰减。“我们现在知道大脑区域,但我们的知识的神经递质系统和基因表达发挥仍是断断续续的。这似乎是一个生物学的基本问题和我们的昼夜灵长类动物。问任何一个人在街上如果他或她感觉更好的在一个阳光明媚的天或在夏季比冬季和响应将是压倒性的是的——然而,生物学家还不能提供所有的答案。这是我们研究的一个方面,”他总结道,“我们正在推动。”

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