作者:张文静 来源:中国科学报 发布时间:2018/6/22 9:02:46
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晒太阳让你更聪明

 

■本报记者 张文静

在明媚的阳光下舒展自己的身体,往往是人们纾解压力、放松身心的好方式。很多人都知道晒太阳好处多多,阳光能够促进人体的血液循环,增强人体新陈代谢的能力,影响人们的心理,让人感到心情畅快。同时,阳光照射还能促进人体合成维生素D,这也是人体维生素D的主要来源。

但如果说晒太阳还能提高学习能力和记忆力,你会相信吗?

中国科学家通过研究给出了肯定的答案。近日,中国科学技术大学生命科学学院教授熊伟和化学与材料科学学院教授黄光明的研究组合作,通过单细胞质谱、光遗传、分子生物学、电生理及动物行为学等技术和方法,发现日光照射后可增强动物学习和记忆能力的机制。这项研究成果发表在《细胞》杂志上。

脑中出现稀客尿刊酸

研究人员是如何发现这个秘密的?这还要从一项叫作“单细胞质谱”的技术说起。

2017年2月,由熊伟和黄光明研究组自主研发的单细胞质谱技术发表在《美国国家科学院院刊》上。世界上没有两片完全相同的叶子,对于细胞来说也是如此。比如神经细胞,大脑中有亿万个神经细胞,这些神经细胞在细胞形态、突触连结、细胞结构、电生理以及生理功能上具有高度的多样性。在不同种类的神经细胞中,基因组、蛋白组,化学分子组成、含量、代谢都有着很大差别。然而,科学家在进行现代生物学研究时,大多时候考察的是细胞群体,而忽略了细胞的异质性。

“单细胞质谱技术则是通过尖端非常细小的玻璃电极,就像一个极小的注射针头一般,从单个神经细胞中取出细胞内液,然后通过质谱检测其中的化学成分。”熊伟告诉《中国科学报》记者。这样一来,单个细胞内化学分子活动的蛛丝马迹就被研究人员尽收眼底。

就在建立单细胞质谱技术的时候,熊伟和黄光明等人竟然在神经元中发现了一种化学分子——尿刊酸。这种分子正如其名,最初是在狗尿里分离提取出来的。上世纪八九十年代,很多科学家就发现并报道了尿刊酸存在于血液中,但它从未被报道过在脑中存在,这让研究人员大为吃惊,也很感兴趣。

熊伟和黄光明等人赶紧一头扎进以往的文献中,通过文献调研,他们发现人类和动物在被日光照射后,皮肤和血液中的尿刊酸会增高。皮肤中的尿刊酸具有吸收紫外线的能力,可以抵挡紫外线对皮肤的损伤。血液中的尿刊酸目前则被认为可以在肝脏中代谢成谷氨酸,然后结合体内的游离氨,起到一定的排毒作用。

那么,尿刊酸出现在大脑中,是否也与日光照射有关系呢?带着这个问题,研究人员设计了一项实验,来研究脑中的尿刊酸是否由日光照射皮肤产生。

“我们对小鼠进行紫外光照射,然后再对小鼠脑内多个脑区神经元内物质变化进行分析。”熊伟告诉《中国科学报》记者,他们在实验前一天把小鼠背上的毛剃光,使其暴露出背部皮肤。实验当天,他们先对小鼠进行了每平方厘米50毫焦的紫外(UVB)照射,然后让小鼠回到自己的笼子中恢复15分钟,之后再将小鼠麻醉并取出脑子进行300微米的切片,再进行单细胞取样和质谱检测。

通过实验,熊伟和黄光明等人果然在照射过紫外光的小鼠神经细胞里发现了尿刊酸,证实脑中的尿刊酸是由日光照射皮肤产生的。那么下一个问题又来了,这种奇怪的分子为什么会跑到大脑中去呢?

让人变聪明的功臣谷氨酸

说起尿刊酸在动物体内的作用,研究人员首先想到的就是氨基酸的代谢。人体里有许多不同种类的氨基酸,这些氨基酸之间会相互转化。一种叫作“组氨酸”的氨基酸在向“谷氨酸”的转化过程中,就会产生尿刊酸。

“由于我们通过单细胞质谱技术发现了脑内神经元里有尿刊酸的存在,这使我们想到,是否在脑内也存在尿刊酸到谷氨酸的代谢途径?”熊伟说。也就是说,如果脑细胞正在积极地产生谷氨酸,尿刊酸的水平自然会上升。

研究人员随后设计的实验证实了这一点。在大脑里,合成谷氨酸的代谢通路非常活跃,于是神经细胞里出现尿刊酸,也就不奇怪了。而谷氨酸在神经元里起着非常重要的生理作用,人类大脑里约有高达90%的突触都会用到这种分子,而突触的可塑性正是大脑学习和记忆的关键。

“谷氨酸是脑内最主要的兴奋型神经递质,神经信息传递很多情况下都是通过谷氨酸投射起作用。谷氨酸从神经末梢释放,激活皮层、海马、纹状体等脑区的下游神经元,进而增强与这些脑区相关的学习记忆能力。”熊伟说道。

到此为止,研究人员可以推断出,晒太阳会提高动物的学习和记忆能力。但研究并未就此结束,因为以上这些只是理论假设,为了验证这个想法,研究人员又做了一系列实验。

适度晒太阳能提升学习和记忆能力

首先,研究人员对背部裸露的小鼠进行每平方厘米50毫焦的紫外照射,之后分别检测了小鼠对新物体的识别能力和运动学习能力。

在新物体识别能力实验中,研究人员先让小鼠适应两个相同的物体A,然后在第二天将其中一个物体A换成物体B。“由于小鼠和人一样都有好奇心,在新事物出现的时候就会去探索。如果小鼠能记住物体A,那当第二天新物体B出现时,它就会更多地去探索物体B。”熊伟解释说,“事实上我们观察到,经过紫外线照射的小鼠,对新物体B的探索时间要大于对照组小鼠。这就说明,紫外线照射引起的脑内谷氨酸增加,增强了小鼠的记忆能力。”

对小鼠运动学习能力的实验则是通过转棒实验来检测的。研究人员将小鼠放在一个半米高的转轴上,转轴的速度是在一定时间内缓慢增加的。当小鼠在高速转动的转轴上站不稳时,就会下落掉在平台上。经过多次的训练学习,小鼠在转轴上待的时间会逐渐增长,就像人类训练骑自行车一样。“最后我们发现,经过紫外线照射的小鼠,更容易学会如何稳定地待在转轴上而不掉下来。这说明紫外线照射引起的脑内谷氨酸增加,增强了小鼠的运动学习能力。”熊伟说。

虽然这些实验是用小鼠做的,但熊伟表示,它在一定程度上可以模拟人类的行为。“比如,前人的研究发现,日光照射的确可以改善人类的情绪、学习记忆等行为;日光照射皮肤也的确可以增强人类血液中的尿刊酸水平。我们的研究则通过用小鼠来模拟人类,对上述现象给出了一个可能的分子机制的解释。”

“本次实验中采用的照射剂量也是按照文献中对人类目前合适健康的剂量来照射的。”熊伟表示,“给小鼠的照射剂量相当于人类在海滩上晒30分钟太阳。”因此熊伟建议,在不伤害皮肤的前提下,可以适度接受阳光照射,这对于改善人们的情绪、学习记忆等都会有一定的帮助。“但是同时也要警惕,过度的紫外照射也会造成皮炎和皮肤癌等疾病,因此一定要注意避免高强度的日光照射。”

所以,为了让自己更聪明,就别总宅在家里,出去适度接受一下阳光的洗礼吧!

《中国科学报》 (2018-06-22 第8版 生活)
 
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