只要活著，成年海馬就會源源不斷的產生新生神經元，這些新生的神經元整合到海馬神經環路中，調控社交、情感、飲食、空間記憶等行為。側腦室相鄰的腦室下區（SVZ）是成人大腦中神經幹細胞最多的區域，在某些因素的誘導下，靜息態的神經幹細胞轉化為活躍態，進行增殖分裂。

目前大多數對於神經幹細胞的研究是在麻醉狀態或離體中進行的，我們迫切需要在活體動物中真真切切的看見神經幹細胞增殖的全過程。

2021年1月21日加拿大CERVO腦研究中心Armen Saghatelyan研究團隊在cell雜誌上發現利用在體深部內窺鏡技術發現成年海馬神經幹細胞大多選擇在白天”生小孩”，這主要與鈣離子活性相關。在光控誘導鈣離子內流後可使原本活躍的神經幹細胞變得沉默了。

深部腦區在體內窺鏡成像技術觀察海馬神經幹細胞分裂

為了能夠在體觀察到神經幹細胞的分裂情況，研究人員在剛出生的GFAP-GFP 幼崽的SVZ植入CMV-RFP質粒，隨著細胞分裂的進行，這些攜帶熒光的質粒會被“稀釋”，只有不分裂或分裂緩慢的細胞保留了標籤。

根據是否增殖，成年海馬神經幹細胞可分為：28.5%不分裂的神經幹細胞（保留原核標籤，同時GFAP和 s100b表達陽性）；53.4%分裂緩慢的神經幹細胞（GFAP陽性和 s100b陰性）；7.1%增殖活躍的神經幹細胞（Ki67陽性）。

神經幹細胞的增殖主要發生在白天

研究人員透過內窺鏡顯微成像技術對神經幹細胞連續動態觀察2天，每隔15分鐘記錄一次神經幹細胞的分裂情況。結果發現68.75%的神經幹細胞分裂發生在白天，具體為上午9點-12點。為了進一步證實神經幹細胞分裂具有這種晝夜節律的特點，他們將老鼠連續7天放置在黑暗的環境中，結果發現處於增殖狀態的神經幹細胞數目明顯減少；而在連續7天光照下，神經幹細胞增殖的比例增加4倍。

抑制褪黑素受體後夜間神經幹細胞增殖增多

為什麼在夜晚神經幹細胞就被束縛了雙手了一樣，只有31%的神經幹細胞分裂增殖？研究人員想到了褪黑素-一種專在夜間活動、松果體分泌的激素，可抑制癌細胞和腫瘤細胞的增殖生長。在海馬SVZ腦區幾乎所有的神經元均表達褪黑素的受體MTR1a， MTR1b，神經幹細胞也不例外。

研究人員在夜間褪黑素分泌高峰前注射褪黑素受體抑制劑luzindole抑制褪黑素的分泌，隨後神經幹細胞增殖的比例增加了1.5倍（由原來的不到6%增加到15%左右）。然而褪黑素這種只在夜間活動的激素對白天的神經幹細胞的增殖沒有影響。

靜息態和活躍態神經幹細胞的鈣活性特點

先前研究表明神經元活動調控神經幹細胞的生理活性，而褪黑素影響細胞內Ca2+動力學。研究人員同樣在剛出生的幼崽SVZ腦區植入攜帶鈣離子指示劑GCaMP6s的質粒，以便於觀察神經幹細胞在增殖分化中鈣離子變化。他們發現處於分裂期的神經幹細胞鈣離子活性降低，也就是說活躍狀態下神經幹細胞鈣離子活動弱，而靜息態神經幹細胞鈣離子活動強。

鈣離子活動是如何在神經幹細胞在靜息態和活躍態之間轉換過程中發揮什麼樣的作用？研究人員透過藥理性手段阻斷三磷酸肌醇（IP3）依賴的細胞內鈣釋放後，靜息態的神經幹細胞鈣離子活動減弱，其胞漿內的鈣離子水平升高，這種鈣離子水平的變化最終引起靜息幹細胞增殖比例增加。這進一步表明鈣離子水平在神經幹細胞活躍向靜息態轉換過程中發揮關鍵作用。

hBACCS2技術光控促進鈣離子向神經幹細胞內流

既然鈣離子對神經幹細胞的增殖這麼重要，那麼人工增加鈣離子濃度會發生什麼？hBACCS2是一種光控鈣離子通道的技術，在藍光下可啟用鈣離子通道，能夠在1秒內使鈣離子胞內濃度迅速升高。

研究人員利用hBACCS2誘導鈣離子快速進入神經幹細胞後，之前連續光照能夠促進神經幹細胞增殖的現象消失了，也就是說部分神經幹細胞由活躍態轉換為靜息狀態。

總的來說，本文發現成年海馬神經幹細胞的增殖分裂具有晝夜節律性，絕大多數發生在白天，在晚上被限制住了。靜息態神經幹細胞鈣離子活動強，活躍態鈣離子活動弱。而夜晚松果體分泌的褪黑素正是透過影響鈣離子活動限制了神經幹細胞的增殖過程。

【參考文獻】

Gengatharan et al., Adult neural stem cell activation in mice is regulated by the day/night cycle and intracellular calcium dynamics, Cell (2021), https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.12.026，文中圖片均來自參考文獻