午夜黑暗与傍晚褪黑素预处理逆转夜间光照所致昼夜性鸦科鸟类神经行为紊乱的作用及机制

《Scientific Reports》：Midnight darkness and evening melatonin pre-treatment reverse night-light-induced neurobehavioural disruptions in a diurnal corvid

本研究针对夜间人造光(ALAN)污染对脑健康的不良影响，探讨了在12小时光照:12小时昏暗光照(dLAN, 6 lux)周期中，引入2小时午夜黑暗期或傍晚进行褪黑素(MLT)预处理对印度家鸦神经行为及海马(HP)和尾外侧纹状体(NCL)基因表达的调节作用。结果显示，dLAN降低夜间MLT水平，扰乱昼夜活动节律、睡眠、情绪及认知功能，并下调HP/NCL中与神经发生（bdnf, dcx, nr4a2）、神经炎症（tnfα, tnfr1）及表观遗传调控（hat1, hdac2, hdac4）相关基因的表达。午夜黑暗期可部分逆转，而MLT预处理则能完全恢复上述dLAN引起的不良效应。研究表明，MLT在维持睡眠完整性和认知功能中起关键作用，为缓解光污染提供了潜在策略。

　　

当夜幕降临，城市并未沉睡，无处不在的人造光源将黑夜点亮。这种夜间人造光（ALAN）污染已成为全球性的环境问题，超过四分之三的人类居住区受其影响。越来越多的证据表明，即使是低强度的昏暗夜间光照（dLAN）也会对人类和动物的健康产生深远危害。它打乱了生物体固有的昼夜节律，导致睡眠碎片化，进而可能引发情绪障碍、记忆巩固困难、认知功能下降以及代谢和生殖问题。对于具有复杂认知能力的鸟类，如鸦科，其影响可能更为显著。然而，我们能否找到有效的方法来 mitigating（缓解）这些负面影响呢？发表在《Scientific Reports》上的这项研究为我们提供了新的见解。

为了探究这一问题，研究人员以昼行性的印度家鸦（Corvus splendens）为模型，设计了两组实验。这些乌鸦被安置在严格控制的光照环境中：12小时明亮光照（150 lux） followed by 12小时昏暗光照（dLAN, 6 lux）。第一组实验比较了三种情况：正常的明暗周期（LD，黑暗夜晚0 lux）、持续dLAN、以及在dLAN期间引入一个2小时的午夜黑暗期（dLAN/暗期）。第二组实验则重点关注外源性褪黑素（Melatonin, MLT）的作用，同样设置了LD组、dLAN组（注射载体）以及dLAN组但在夜晚开始前进行MLT预处理（dLAN/MLT）。研究团队系统性地评估了乌鸦的昼夜活动节律、睡眠质量、情绪状态（通过摄食、理羽和啄羽行为评估）以及认知能力（包括新物体探索和运动自我调节任务）。同时，他们在实验结束后检测了乌鸦海马（Hippocampus, HP，与学习记忆、认知和情绪相关）和尾外侧纹状体（Nidopallium Caudolaterale, NCL，与执行功能和抑制控制相关）脑区内一系列关键基因的mRNA表达水平，这些基因涉及神经发生（如bdnf, dcx, nr4a2）、神经炎症（如il-1β, tnfα, tnfr1）和表观遗传调控（如hat1, hdac2, hdac4）。此外，还监测了血浆中皮质酮（作为应激指标）和褪黑素水平的昼夜变化。

本研究运用了多项关键技术方法，包括：使用被动红外运动传感器和摄像系统进行24小时活动节律与睡眠行为监测；通过酶联免疫吸附测定（ELISA）检测血浆激素（皮质酮和褪黑素）水平；设计新物体探索（NOE）和圆柱体障碍绕行（运动自我调节）任务来评估认知功能；以及采用实时定量聚合酶链式反应（qPCR）技术分析脑组织特定基因的mRNA表达。研究所用的印度家鸦样本来自德里郊外野外捕获。

午夜黑暗期和外源性褪黑素恢复了dLAN下的夜间褪黑素峰值，但不影响皮质酮水平

研究发现，与LD组相比，持续暴露于dLAN显著抑制了乌鸦在午夜（小时18）的血浆褪黑素水平。然而，在dLAN期间引入2小时午夜黑暗期（dLAN/暗期）能够部分恢复午夜褪黑素的分泌，使其水平显著高于纯dLAN组，尽管仍低于LD组。傍晚进行褪黑素预处理（dLAN/MLT）则能完全恢复午夜褪黑素水平，使其与LD组无异。各组间的血浆皮质酮水平没有显著差异，表明dLAN及其干预措施的主要影响并非通过应激激素通路。

午夜黑暗期和外源性褪黑素恢复了dLAN下的日常活动和夜间睡眠行为

dLAN打乱了乌鸦的昼夜活动节律，表现为活动开始时间提前、活动结束时间延迟，以及夜间活动量增加。这导致了睡眠潜伏期（从熄灯到首次入睡的时间）延长、觉醒潜伏期（从最后一次睡眠到开灯的时间）缩短，以及总夜间睡眠时间减少。引入2小时午夜黑暗期部分改善了这些睡眠参数，但效果不完全。相比之下，傍晚褪黑素预处理则能完全逆转dLAN的破坏性影响，使活动节律和睡眠各项指标恢复至与LD组相似的水平。

午夜黑暗期部分改善，但褪黑素预处理完全改善dLAN下的情绪表现

在情绪评估方面，dLAN导致乌鸦的摄食和理羽时间显著减少，并引发了啄羽行为（一种类似人类拔毛癖的抑郁样症状）。引入午夜黑暗期后，摄食和理羽行为有所改善（理羽改善显著），啄羽行为也有所减轻，但并未完全恢复到LD组的水平。而接受褪黑素预处理的乌鸦，其摄食、理羽行为与LD组无显著差异，并且完全没有表现出啄羽行为。

傍晚褪黑素预处理而非午夜黑暗期改善了dLAN下的认知表现

在新物体探索测试中，dLAN组乌鸦表现出更强的恐新性，接近新物体的潜伏期更长，与物体互动的时间更短。午夜黑暗期干预对此没有显著改善作用。而褪黑素预处理则显著降低了恐新性，使乌鸦接近物体的速度和互动时间恢复到LD组水平。在运动自我调节（圆柱体绕行）测试中，dLAN组乌鸦的正确反应率较低，错误次数较多。午夜黑暗期干预同样未能显著改善其表现。然而，褪黑素预处理显著提高了正确反应率并减少了错误次数，表明其执行功能和抑制控制能力得到恢复。

午夜黑暗期和傍晚褪黑素预处理对HP和NCL基因表达的影响

分子水平的结果与行为学观察一致。dLAN显著下调了HP和NCL中与神经发生和可塑性相关的基因（bdnf, dcx, nr4a2, hat1）的表达，同时上调了与神经炎症（tnfα, tnfr1）和表观遗传抑制（hdac2, hdac4）相关的基因表达。午夜黑暗期干预对大部分基因（7/9）产生了中间态的表达水平，与LD和dLAN组均无显著差异，显示出部分逆转效应。而褪黑素预处理则完全逆转了dLAN引起的基因表达变化，使其恢复至LD组水平（il-1β除外）。

午夜褪黑素水平与基因表达、基因表达与认知表现的关系

相关性分析进一步支持了褪黑素的核心作用。午夜褪黑素水平与神经炎症基因（tnfα, tnfr1）和表观遗传抑制基因（hdac2, hdac4）的表达呈显著负相关，与表观遗传激活基因（hat1）的表达呈显著正相关。同时，神经发生相关基因bdnf的表达与认知任务（新物体探索时间和运动自我调节正确率）表现呈显著正相关，而hdac2和tnfα的表达则与认知表现呈显著负相关。

研究结论与意义

本研究结果表明，夜间光照（dLAN）对昼行性乌鸦的神经行为产生了广泛的负面影响，包括扰乱昼夜节律、损害睡眠质量、诱发抑郁样行为以及削弱认知功能。这些行为改变与大脑特定区域（HP和NCL）基因表达的失调密切相关，涉及神经发生抑制、神经炎症加剧和表观遗传调控异常。

研究提出的两种缓解策略均显示出效果。在dLAN期间引入一个短暂的（2小时）午夜黑暗期，可以部分恢复内源性褪黑素的分泌，并部分缓解dLAN带来的部分行为学和分子层面的负面影响。这是一种相对易于实施的环境干预措施。而傍晚进行外源性褪黑素预处理，则能更有效地模拟自然黑暗的生理信号，完全逆转dLAN引起的有害效应，使乌鸦的睡眠、情绪和认知功能恢复至正常水平。

机制上，研究强调了褪黑素在介导表观遗传和神经炎症通路中的核心作用。推测褪黑素可能通过影响组蛋白乙酰化酶（HATs）和去乙酰化酶（HDACs）的活性，调控与神经可塑性和记忆形成相关基因（如bdnf）的表达环境。同时，其抗炎特性有助于抑制促炎细胞因子（如TNFα）的表达，从而减轻神经炎症。这两种机制共同作用，为维持大脑健康和认知韧性提供了支持。

综上所述，这项研究不仅深化了我们对夜间光污染危害机制的理解，更重要的是提出了可行的缓解策略。尽管长期药物补充褪黑素可能不具普适性，但 strategically timed（策略性定时）的短暂黑暗期干预，为减轻城市环境中野生动物乃至可能受类似影响的人类的光污染负面影响提供了有前景的思路。研究突出了内源性褪黑素节律在协调表观遗传和神经免疫反应中的重要性，为未来相关研究指明了方向。