《Frontiers in Neuroscience》：Daytime lighting conditions alter home-cage behavior across both sexes in diurnal grass rats
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昼夜节律对生物功能至关重要，注意力、选择及偏好相关行为等认知功能受昼夜节律调控，并在季节性情感障碍（Seasonal Affective Disorder, SAD）和重度抑郁症（Major Depressive Disorder, MDD）等情
摘要专业翻译
昼夜节律对生物功能至关重要，注意力、选择及偏好相关行为等认知功能受昼夜节律调控，并在季节性情感障碍（Seasonal Affective Disorder, SAD）和重度抑郁症（Major Depressive Disorder, MDD）等情绪障碍中发生紊乱。这些神经精神疾病可因日常光照模式的改变而诱发或加重，也可通过昼夜节律定时的亮光疗法进行治疗，提示光照亮度对情绪和行为具有调节作用。多数实验啮齿动物为夜行性，而尼罗河草鼠（Nile grass rat; Arvicanthis niloticus）为昼行性，为研究与人类相关的光照调节效应提供了独特模型。在本研究中，研究人员在多种光照条件下对雄性和雌性草鼠进行数周的日常活动追踪，揭示了性别特异的昼夜节律模式及光照响应差异。这些发现为在昼行性动物中开展光照对情绪相关脑环路影响的机制研究奠定了基础。
论文解读
一、研究背景与科学问题
昼夜节律是生物体最基本的时间调控机制，对认知、注意力、情绪及偏好相关行为均具有重要调节作用。季节性情感障碍（Seasonal Affective Disorder, SAD）和重度抑郁症（Major Depressive Disorder, MDD）的临床症状表现出显著的昼夜节律特征，且可因昼夜节律紊乱或光照模式改变而诱发或加重。反之，基于昼夜节律时机的亮光疗法对SAD和非季节性抑郁均具有治疗效果，提示光照对情绪的调节作用独立于季节因素。然而，研究光照与情绪关系的核心障碍在于：常用实验啮齿动物（如小鼠、大鼠）均为夜行性，而人类为昼行性。虽然昼夜节律中枢起搏器——视交叉上核（suprachiasmatic nucleus, SCN）在夜行性和昼行性动物中功能与相位高度保守，但光照对两类动物的行为效应截然相反：光照在昼行性动物中促进觉醒和兴奋，在夜行性动物中则诱导睡眠。此外，昼夜节律振荡器系统在两类动物中的组织方式并非简单的相位翻转，许多SCN以外的振荡器呈相位反转，因此夜行性模型的研究结果无法直接转换或简单反转来理解昼行性脑功能及其对光照变化的响应。事实上，大量在夜行性啮齿动物模型中验证有效的治疗手段在人类临床试验中失败，揭示了光照对昼行性脑神经生理效应的转化研究缺口。
尼罗河草鼠（Nile grass rat, NGR; Arvicanthis niloticus）是野生昼行性物种，已在实验室中建立了成熟的昼行性模型，其睡眠、运动活动、交配行为、体温及促黄体生成素分泌均呈现昼行性模式。NGR对光照表现出与人类一致的响应方向：光照促进活动而非诱导睡眠。已有研究表明，NGR在日间低光照条件下表现出蔗糖偏好降低——这是快感缺失的有效检测指标，也是SAD和MDD的核心症状之一；而日间亮光可改善NGR的空间记忆，与人类光疗的疗效相呼应。然而，此前尚无研究在数月时间尺度上对不同光照条件下NGR的运动活动进行连续量化记录，也缺乏对雌雄个体在多种光照条件下24小时行为模式的系统比较。鉴于人类在焦虑障碍、MDD和SAD易感性上存在已知的性别差异，而既往NGR研究严重缺乏雌性动物数据，开展包含两性的长期行为学监测研究具有重要的转化意义。
二、研究目的与假设
研究人员提出核心假设：暴露于亮光（>1,000 lux）将增加昼间特异性活动并增强昼行性指数（diurnality index, DI），相较于标准动物房光照（300 lux）。同时预测，作为具有强内源性昼夜节律钟的昼行性物种，NGR将在每日光照转换前表现出预期性活动（anticipatory activity）。鉴于草鼠已知具有晨昏性（crepuscular）活动特征，在明暗转换前后均可能出现活动高峰，研究人员进一步预测黎明和黄昏转换期间均存在预期性活动增强。此外，在无光照授时（持续黑暗，constant darkness, DD）条件下，NGR将维持接近24小时的自运行节律（free-running rhythm），反映其强健的内源性昼夜节律钟。性别差异比较被设定为次要探索性分析，在观察个体数据变异后开展。
三、主要关键技术方法
研究人员开发了一种基于视频像素差分析的行为活动量化技术——选定像素差（Selected Pixel Difference, SPD）法。该方法通过Python脚本对连续视频帧进行灰度转换、双阈值滤波（全局阈值和百分比变化阈值）、膨胀处理和区域大小筛选，仅追踪超过各步骤阈值的像素变化，以SPD值作为动物运动的代理指标。该方法经多项验证：与人工标注的动物质心坐标高度相关（x坐标Pearson r=0.96，y坐标r=0.80），与累计欧氏距离在1小时分箱水平高度相关（r=0.95）。实验共纳入12只单笼饲养的NGR（6雄/6雌），分为3个队列，每队列4只，动物来源于密歇根州立大学Yan等人建立的繁殖群体，在密歇根大学设施中完成实验。实验采用12:12小时光暗（light/dark, LD）循环，依次经历300 lux标准光照（4周基线）、1,000–1,300 lux亮光（4周）和持续黑暗（DD, 0 lux, 4周）三个阶段，其中第1队列（4只）未经历DD条件。视频以12帧/秒连续录制，使用近红外带通滤镜（845–860 nm）配合单色相机实现24小时不间断监测。统计分析采用配对t检验、独立t检验、线性混合效应模型（linear mixed-effects model, LME）及Cosinor谐波分析等方法。
四、研究结果
4.1 标准动物房光照下的日常运动模式
研究人员首先确认了NGR在实验室条件下的昼行性运动模式。Lomb-Scargle周期图分析显示，NGR活动在约24小时和12小时处呈现显著峰值，表明存在强健的日节律。行为记录图（actogram）和24小时活动曲线分析显示，光照期（lights ON, ZT0-11）活动显著高于暗期（lights OFF, ZT12-23），在明暗转换时刻（ZT11-12）出现显著活动高峰，ZT6附近有次级上升。逐小时比较中，24个时间箱中有12个达到FDR校正后的显著性。Cosinor分析确认了显著的24小时节律成分（峰值相位ZT9.3），且加入12小时谐波成分后模型拟合显著改善（嵌套F检验，p=0.0004），表明基线活动中叠加了显著的晨昏性（12小时）成分。量化分析显示，光照期活动显著高于暗期（配对t检验，p=0.038），排除转换期后中段白天（ZT3-9）活动仍显著高于中段夜晚（ZT15-21）（p=0.001）。
4.2 光照改变对日常运动模式的影响
将光照强度从300 lux提升至1,000 lux后，研究人员观察到昼间活动显著增加。逐小时比较显示，1,000 lux条件下大部分白天时段（ZT1-8, ZT10）活动升高（未校正p<0.05），但无单个小时在24小时扫描的FDR校正后存活；然而聚合分析显示，亮光显著增加了12小时光照期平均活动（配对t检验，p=0.021），而暗期活动无显著变化（p=0.59）。昼行性指数（DI）在1,000 lux条件下显著升高（p=0.003），主要由昼间活动增加驱动。排除晨昏性活动贡献后，中段白天活动仍显著高于中段夜晚（p=0.0009）。预期性活动分析显示，300 lux条件下动物在明暗转换（黄昏）和暗明转换（黎明）前均表现出显著预期性活动增加（黄昏p=0.0001）；而在1,000 lux条件下，由于昼间活动整体升高至接近黄昏峰值水平，黄昏预期性增加不再显著（p=0.107），而黎明预期性活动仍然存在。
在持续黑暗（DD）条件下，8只动物的平均自由运行周期为24.0小时，与24小时无显著差异（单样本t检验，p=0.99），但个体间存在差异（范围23.23–25.16小时）。按昼夜时间（circadian time, CT）重新对齐后，DD条件下动物在主观白天中段（CT3-9）的活动仍显著高于主观夜晚中段（CT15-21）（p=0.016），且黄昏预期性活动增加仍然显著（p=0.003），表明在没有光照授时的情况下，NGR仍保持内源性的昼行性活动组织。Cosinor分析显示，所有三种光照条件下均存在显著的24小时节律性（峰值相位：300 lux为ZT9.3，1,000 lux为ZT6.4，DD为CT10.4），且12小时谐波成分在每种条件下均显著改善模型拟合。个体水平Cosinor分析显示，亮光显著增加了24小时节律振幅（300 lux: 99,631±58,937 vs. 1,000 lux: 237,547±174,222; p=0.028），并将主峰相位提前约2.4小时（ZT9.2±1.8 vs. ZT6.8±1.3; p<0.001），晨昏性指数（12小时/24小时振幅比）在亮光下显著降低（1.25±0.93 vs. 0.46±0.35; p=0.019），这主要反映了24小时主成分的增长而非晨昏性活动的丧失。
4.3 光照响应中的性别差异与个体变异
探索性性别分析揭示了显著的行为响应差异。在1,000 lux条件下，雄性昼间活动较雌性高64%（640,040±61,094 vs. 389,292±71,679像素/天；独立t检验，p<0.001）。线性混合效应模型分析显示，雄性和雌性在亮光下昼间活动均显著增加（雄性β=327,875像素，p<0.001；雌性β=63,482，p<0.001），但雄性增幅（100%）远大于雌性（17%）。性别×光照条件的交互作用显著（β=264,331像素，p<0.001），表明雄性对亮光的昼间活动响应显著强于雌性。值得注意的是，亮光对雄性夜间活动无显著影响（p=0.46），但显著抑制了雌性夜间活动（β=-39,044，p<0.001）。个体水平分析显示，6只雄性中4只昼间活动显著增加，2只无变化或显著降低；6只雌性中2只显著增加，1只显著降低，3只无显著变化，反映出显著的个体间变异。在DD条件下，雄性和雌性的自由运行周期无显著差异（雄性均值24.26小时，雌性均值23.84小时；p=0.330），且两性的主观白天活动与300 lux基线昼间活动相比均无显著差异。按性别分层分析显示，雌性在300 lux和1,000 lux条件下中段白天活动均显著高于中段夜晚，雄性在1,000 lux条件下达到显著（p=0.016），在300 lux条件下呈趋势性差异（p=0.051）。两性的昼行性指数在亮光下均显著升高。预期性活动方面，黄昏时两性在300 lux和DD条件下均表现出显著预期性增加，但在1,000 lux条件下不显著；黎明时雄性在所有三种条件下均表现出显著预期性增加（包括DD条件，dz=-4.24, p=0.018），而雌性在300 lux和1,000 lux条件下增加不显著，在DD条件下无增加。
五、研究结论与意义
本研究通过长达数月的连续视频行为学监测，系统表征了昼行性NGR在三种光照条件下的日常活动节律，证实了亮光增强昼行性的核心假设，并揭示了显著的性别差异。研究确认NGR在标准实验室光照下呈现稳定的昼行性活动模式，叠加晨昏性活动成分；亮光（1,000 lux）显著增加昼间活动、增强昼行性指数、增大24小时节律振幅并提前峰值相位；在持续黑暗中，NGR维持接近24小时的自运行节律，并在无光照条件下仍保持内源性的昼行性活动组织和预期性活动。性别差异分析表明，雄性对亮光的昼间活动增强响应远大于雌性，且雄性在黎明转换的预期性活动在无光照条件下仍然存在，而雌性则无此表现。这些发现建立了昼行性动物光照-行为研究的实验范式，为后续在NGR模型中研究光照对情绪相关脑环路（特别是内侧前额叶皮层，medial prefrontal cortex, mPFC）的调控机制奠定了基础，对理解SAD和MDD的光疗机制及昼夜节律-情绪交互具有重要的转化意义。
